紅磷燃燒在熱力環(huán)流實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用與研究

山東省棗莊市教育科學(xué)研究院(277020) 馮統(tǒng)偉

山東省棗莊市市中區(qū)實(shí)驗(yàn)中學(xué)(277100) 孫啟洋

山東省棗莊市第十六中學(xué)(277102) 王延娥

1 課題的由來

高一地理人教版課本必修一第36頁(yè)中關(guān)于驗(yàn)證熱力環(huán)流的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的步驟為：在一個(gè)用保鮮膜封閉的透明玻璃箱內(nèi)，一邊放冰塊，一邊放熱水，當(dāng)把一支點(diǎn)燃的香放入冰塊一側(cè)時(shí)，就能明顯地看到煙在箱內(nèi)循環(huán)流動(dòng)(見圖1)。

圖1 課本中的熱力環(huán)流圖示

然而多數(shù)教師在進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)效果卻很不明顯，基本上看不到煙霧環(huán)流的現(xiàn)象。驗(yàn)證熱力環(huán)流的實(shí)驗(yàn)是地理學(xué)科很重要的內(nèi)容，按照課本中的設(shè)計(jì)進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)時(shí)，只有靠近講臺(tái)的幾位學(xué)生能看到一點(diǎn)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，后面的學(xué)生基本上看不到煙霧環(huán)流的現(xiàn)象，一方面無法調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，在學(xué)生腦海里無法留下深刻的印象；另一方面影響學(xué)生對(duì)熱力環(huán)流原理的理解。從而導(dǎo)致很多教師在上課時(shí)不得不放棄實(shí)驗(yàn)，改為播放視頻給學(xué)生看，視頻只能讓學(xué)生認(rèn)識(shí)，卻不能讓學(xué)生信服，實(shí)驗(yàn)的說服力才是最大的。

熱力環(huán)流是大氣運(yùn)動(dòng)最簡(jiǎn)單的形式，是由于地面的冷熱不均而形成的空氣環(huán)流。其形成過程為：受熱地區(qū)大氣膨脹上升，近地面形成低氣壓，而高空形成高氣壓；受冷地區(qū)相反，從而在近地面和高空的水平面上形成了氣壓差，促使大氣的水平運(yùn)動(dòng)，形成高低空的熱力環(huán)流(見圖2)。

圖2 空氣環(huán)流圖示

熱的地方空氣受熱膨脹上升，冷處收縮下沉。上空相同高度處，熱的地方單位面積空氣柱重量(即氣壓)大，冷的地方高空氣壓小，高空形成熱-冷的氣流。熱處氣流流失后，整個(gè)空氣柱減輕，地面形成低壓，冷處則形成高壓，近地面形成冷-熱的氣流。加上上升、下沉氣流，構(gòu)成了熱力環(huán)流[1]。

根據(jù)所學(xué)的化學(xué)知識(shí)可知，紅磷是暗紅或略帶棕色的粉末，在空氣中點(diǎn)燃時(shí)能劇烈燃燒，發(fā)黃光，冒白煙，放出大量的熱。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的放熱現(xiàn)象特別明顯，能生成大量的白煙。于是筆者想到利用紅磷燃燒放出的大量的熱來和另一側(cè)放置的冰塊產(chǎn)生氣壓差，生成白煙的運(yùn)動(dòng)模擬氣體運(yùn)動(dòng)軌跡來增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果。還可以把裝置的背面設(shè)計(jì)成黑色，讓背面的黑色和反應(yīng)生成的白煙形成明顯的對(duì)比，進(jìn)一步增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的視覺效果。

從中國(guó)專利信息網(wǎng)上查詢到的結(jié)果：楊佳友，劉其友：一種熱力環(huán)流教學(xué)演示儀，[G09B23/16]申請(qǐng)?zhí)枺篊N201320026436.9。這種熱力環(huán)流教學(xué)演示儀是一個(gè)透明長(zhǎng)方體空腔，長(zhǎng)方體空腔內(nèi)設(shè)有發(fā)煙裝置，在長(zhǎng)方體空腔底部一邊設(shè)有加熱裝置，在長(zhǎng)方體空腔底部另一邊設(shè)有制冷裝置，長(zhǎng)方體空腔頂部設(shè)有蓋板，蓋板可打開，蓋板上設(shè)有穿孔，通過活塞可將穿孔打開或關(guān)閉[2]。按這種方法設(shè)計(jì)的裝置在實(shí)際操作中，因?yàn)殚L(zhǎng)方體空腔冷熱效果不好，沒有中間的擋板，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象只能在很小范圍內(nèi)被看到，效果仍是不好。

2 實(shí)驗(yàn)方案及設(shè)計(jì)

根據(jù)上述查找的資料和化學(xué)知識(shí)，熱力環(huán)流演示裝置的設(shè)計(jì)可分為3個(gè)方面：

(1)整體框架設(shè)計(jì)。熱力環(huán)流演示裝置的外形設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形的箱子，箱子的長(zhǎng)100 cm，寬30 cm，高80 cm；箱子的中間有一個(gè)擋板，擋板的上下方分別有一個(gè)高約10 cm的可以前后拉動(dòng)的擋板，根據(jù)實(shí)驗(yàn)和學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的需要控制擋板的開關(guān)。

(2)燈光設(shè)計(jì)。箱子的前面(實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察面)是一個(gè)可以左右移動(dòng)的玻璃板；對(duì)應(yīng)面內(nèi)側(cè)涂成黑色，便于學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；箱子的頂端配有燈管，在紅磷燃燒產(chǎn)生的白煙較多時(shí)，打開燈就可以更清楚地看清熱力環(huán)流現(xiàn)象。

(3)冷熱溫差設(shè)計(jì)。在箱子的底部?jī)蓚?cè)分別放一個(gè)黃金加熱管和一盒冰塊，可以讓箱子的兩邊形成冷熱對(duì)比強(qiáng)烈的空氣環(huán)境；在黃金加熱管的左側(cè)放一長(zhǎng)條鐵皮，鐵皮的上面放適量的紅磷(見圖3)，利用紅磷燃燒時(shí)產(chǎn)生大量的白煙模擬近地面冷熱不均—空氣的垂直運(yùn)動(dòng)(上升或下沉)—同一水平面上存在氣壓差異—空氣的水平運(yùn)動(dòng)—形成熱力環(huán)流。

圖3 自制熱力環(huán)流演示裝置圖

3 實(shí)驗(yàn)操作方法

(1)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段：先把裝置中間的上下兩個(gè)擋板全部關(guān)閉，然后把冰塊放到右側(cè)區(qū)域一段時(shí)間，讓右側(cè)區(qū)域溫度降低。為了能在右側(cè)形成較冷的環(huán)境，可以提前十分鐘左右將冰塊放進(jìn)去。

(2)實(shí)驗(yàn)操作過程：將裝置前面的玻璃板拉開一小段空間，在鐵皮上面放置少量紅磷，用火柴去點(diǎn)燃紅磷；點(diǎn)燃紅磷后，快速把玻璃板推到關(guān)閉狀態(tài)，可以看到生成的白煙在左側(cè)區(qū)域從下方逐漸上升到頂部。這時(shí)閉合黃金加熱管的開關(guān)，黃金加熱管可以在短時(shí)間內(nèi)把左側(cè)區(qū)域的溫度提高，可以看到白煙上升速度加快。

(3)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象講解和觀察：在左側(cè)區(qū)域看到白煙充沛而且充滿大部分區(qū)域時(shí)，接著把上下兩個(gè)擋板拉開一半，讓白煙進(jìn)入到右側(cè)區(qū)域，能看到右側(cè)區(qū)域的白煙遇冷空氣后快速下行。這時(shí)教師可以一邊讓學(xué)生觀察白煙的運(yùn)動(dòng)軌跡，一邊解說熱力環(huán)流的成因。大多數(shù)學(xué)生能清楚觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并結(jié)合課本知識(shí)，認(rèn)識(shí)熱力環(huán)流的原理。

到最后看到左右兩側(cè)區(qū)域的白煙都充滿時(shí)，把兩個(gè)擋板全部打開，左右兩側(cè)的白煙在冷熱對(duì)比強(qiáng)烈的空氣環(huán)境里，形成熱力環(huán)流的現(xiàn)象很明顯，坐在班級(jí)最后面的學(xué)生也能清楚地看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(見圖4)。

圖4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

(4)實(shí)驗(yàn)整理：教師拔下裝置連接的電源，把熱力環(huán)流演示裝置提到教室的外面，讓裝置自然冷卻，利用裝置右側(cè)的冰塊融化的水來吸收紅磷燃燒生成的五氧化二磷。

4 結(jié)果分析

這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)芎苊黠@看到白煙的飄動(dòng)現(xiàn)象，分析其原因是：黃金加熱管可以短時(shí)間內(nèi)給左側(cè)的箱子提供很好的熱量，讓左側(cè)的空氣受熱，氣壓降低；右側(cè)的冰塊可以讓空氣冷卻，氣壓升高。將上下的活動(dòng)擋板打開后，冷熱兩種空氣就會(huì)因氣壓不同而發(fā)生流動(dòng)的現(xiàn)象。白煙從黃金加熱管上方向上飄，說明熱的地方近地面產(chǎn)生低氣壓；白煙從冰塊位置向黃金加熱管方向飄動(dòng)，說明冷的地方氣壓升高。從而讓學(xué)生明白了由于冷熱不均產(chǎn)生的氣壓差，促使大氣的運(yùn)動(dòng)，形成高低空的熱力環(huán)流。

紅磷燃燒生成的五氧化二磷，需要用水吸收或通風(fēng)處理。五氧化二磷為白色固體，易吸濕，360 ℃升華，溶于水產(chǎn)生大量熱并生成磷酸，對(duì)乙醇的反應(yīng)與水相似，相對(duì)密度2.39 g/cm3，熔點(diǎn)340 ℃，為酸性氧化物，有腐蝕性，不可用手直接觸摸或食用，也不可直接聞氣味。因此在進(jìn)行演示操作過程中，點(diǎn)燃紅磷后，就要快速把玻璃板推好，直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束都不要打開演示裝置，防止生成的五氧化二磷逸出。等下課后再把本裝置拿到室外無人處打開通風(fēng)，或者等第二天再打開，讓右側(cè)的冰溶化成水，利用水吸收五氧化二磷。

5 結(jié)論

熱力環(huán)流的原理作為高中階段地理學(xué)科重要的理論性知識(shí)，對(duì)于理解氣壓帶和風(fēng)帶，以及常見天氣系統(tǒng)的形成與影響具有重要作用。但是熱力環(huán)流的原理相對(duì)較為抽象，而且課堂教學(xué)較為枯燥乏味，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)原理掌握不透徹，理解不夠全面。基于該原理的重要性及學(xué)生學(xué)情的現(xiàn)實(shí)狀況。筆者經(jīng)過反復(fù)查找資料和試驗(yàn)，制定了紅磷燃燒熱力環(huán)流實(shí)驗(yàn)方案，由此制作的實(shí)驗(yàn)器材驗(yàn)證了紅磷燃燒驗(yàn)證熱力環(huán)流實(shí)驗(yàn)的可行性和高效性。