空气压缩引火实验的改进

颜 沸，莫 滨

(1．莲花实验学校，江苏 南京 210041；2．南京市第十八中学，江苏 南京 210022)

基础教育

空气压缩引火实验的改进

颜 沸1，莫 滨2

(1．莲花实验学校，江苏 南京 210041；2．南京市第十八中学，江苏 南京 210022)

针对空气压缩引火仪实验操作中出现硝化棉不着火、燃烧时间短等问题，设计了利用温变油墨代替硝化棉演示对空气做功使空气的内能增加的实验，改进后的实验现象明显.

空气压缩引火仪；温变油墨；内能；硝化棉

在初中物理教学中，学习做功改变物体内能时，都会使用“空气压缩引火仪”进行演示. 传统的操作方法采用硝化棉，实验成功的要领在于迅速压下活塞. 如果实验成功，可以看到硝化棉燃烧，这一现象给予学生强烈的视觉冲击. 遗憾的是，并非所有教师都能够完美演示，效果欠佳，甚至演示失败的概率很大.

1 影响实验效果的原因分析

该实验演示中，未能达成预期效果的原因是多方面的，有教师方面的原因，有学生方面的原因，还有器材方面的原因.

1)硝化棉燃烧这一现象瞬间发生，时间很短，稍纵即逝，如学生稍一走神就会错过燃烧的瞬间，无论教师的演示实验多么成功，每次都会有学生错过. 由于硝化棉的燃烧不可逆，教师要想重复演示，必须用长钩将硝化棉残留物取出后再放入新的硝化棉，并且重新充入新鲜空气，实验准备时间较长.

2)该实验技术要求较高，条件苛刻，实验成功与否和多方面因素有关：首先，硝化棉要干燥，湿度过大，实验很难成功；其次，放入管中的硝化棉应拉成丝状，尽可能地增加其表面积，放入的硝化棉过多或过少都会影响实验的效果；最后，实验要求教师用力快速压下活塞. 在实际演示中，力气大的男教师都会觉得手很疼，很多女教师在做这个实验时，通常会由于压下活塞的力度不够，而出现硝化棉不着火的现象，导致实验失败，无法达成实验预期，影响课堂教学效果. 当实验室中硝化棉消耗完之后，可以采用普通棉花代替，但是实验难度也随之进一步增大.

2 实验改进

压下活塞后，筒内空气温度升高，只要有现象能够证明温度升高即可，不必强求空气的温度达到硝化棉的燃点，故采用温变油墨代替硝化棉.

2.1 温变油墨

温变油墨又称热变色油墨、热敏油墨或示温油墨. 温变油墨分为3类：

1)常温下显示某种特定颜色，经加温后颜色消失变为无色，冷却后立即恢复到原有颜色，因其变化过程可逆，称为“可逆温变消色油墨”.

2)在常温下显示无色，经加温后变为另外一种颜色，冷却后又恢复为原来的无色，变化过程可逆，称为“可逆温变发色油墨”.

3)油墨在常温下呈现某种颜色，加温后变为另外一种颜色，变化过程可逆，称为“可逆温变转色油墨”.

2.2 实验步骤

使用可逆温度消色油墨代替硝化棉完成“对空气做功使空气的内能增加”的实验，经过反复实验，发现效果很好. 具体步骤如下：

1)温变油墨的选择. 温变油墨的稳定性、变色温度的高低、变色的快慢和灵敏程度都直接关系到实验效果的好坏，经过多次实验发现，使用变色温度为33～35 ℃、变色时间在3 s以内的蓝色或红色可逆温变油墨实验效果较好.

2)选择表面粗糙的有色硬纸板. 由于硬纸板表面粗糙，温变油墨能够较好地附着其上，待油墨干透后，再次涂抹，这时温变油墨就能覆盖住硬纸板原来的颜色.

3)待覆盖温变油墨的硬纸板完全干燥后，剪下1.5 cm×2 cm的小硬纸片，将小硬纸片对折后竖放在空气压缩引火仪的筒内底部(竖放便于学生观察). 慢慢压下活塞，可以看见温变油墨的颜色慢慢褪去，露出小硬纸块本来的颜色.

2.3 实验优势

使用温变油墨代替硝化棉来完成“对空气做功使空气的内能增加”的实验，有3点优势.

1)相对于硝化棉着火这一瞬间现象，蓝色温变油墨的变色过程是可以缓慢进行的，且随时可以暂停，亦即是可控的，利于教师提问，亦可提供足够的时间供学生观察、思考、回答.

2)相对于硝化棉燃烧的不可逆，蓝色温变油墨的变色过程可以反复演示：压入活塞，蓝色温变油墨变为无色，显示出纸片原有的橙色底色；拉开活塞，无色温变油墨恢复为蓝色，如图1所示. 实验改进后，节约了课堂时间，提高了教学效率.

图1 活塞压下前后纸片颜色对比图

3)实验技术要求低，实验成功率高. 首先，密闭在筒内的温变油墨很难受到外界温度及湿度的影响，实验很容易成功. 其次，由于不需要将活塞快速压到底部，只需要缓慢地将活塞压下一小段距离，即可观察到变色现象，力气小的教师也很容易做到. 由于缓慢压下，不容易造成器材损坏，也不容易造成人身伤害，课后可以放心大胆让感兴趣的学生尝试操作，利于提升学习兴趣.

4)实验效果明显，实验原理简单，有较强的说服力，同时由于不需要较高的思维能力，也有利于学生对原理的理解，提高课堂教学的效率.

3 改进实验的拓展

在讲述“物体对外做功，物体内能减小”时，能够列举的实例特别少，有说服力的演示实验则更少. 由于物体内能无法测量，所以判断物体内能是否减小，就只能借助其他现象来推断，当然，最易于理解的推断理由是测得物体的温度降低. 但是这一类现象中的做功，大多是在瞬间完成的，普通的测温设备无法反映出短时间内的温度变化.

在这方面实验中，目前较为理想的实验是“拧空矿泉水瓶实验”. 瓶盖迸出，内能转化为机械能，气体内能减少，温度降低，瓶内的水蒸气降温液化，出现白雾. 但是演示此实验时，有的教师由于专注于瓶盖迸出，而忽略因降温液化而出现的白雾[1]. 若需要分析“白雾”现象，首先通过物态变化思考吸放热情况，进而分析温度变化，最后推断出内能变化，需要较高的思维能力. 由于上述分析较复杂，会导致学生将实验的关注点偏离“做功”. 而采用温变油墨，可以直接知道温度变化，易于学生理解.

选用覆盖变色温度为28 ℃的温变油墨的纸片，剪下5 cm×2 cm的纸片，将它贴在2.5 L无色可乐瓶的内壁. 发现小硬纸片上原本的蓝色的温变油墨变为无色，显示出原来的底色，这是由于可乐瓶内的温度高于28 ℃的缘故，慢慢往可乐瓶内打气至约0.2 kg/cm2的气压，快速放气，发现小硬纸片上的温变油墨恢复成蓝色，表明瓶内空气温度降低了，如图2所示. 这个实验说明了“物体对外做功，内能减小.”

图2 可乐瓶充放气时纸片颜色对比图

注意事项：

1)做实验时的环境温度大约在26 ℃，而可乐瓶内的温度为30 ℃. 如果可乐瓶内的温度低于28 ℃，小硬纸片放入可乐瓶后，温变油墨成蓝色，可以将可乐瓶贴有小硬纸片的一侧浸在30 ℃的温水中使其变为无色后再放气.

2)如图3所示，为了向可乐瓶内充气，可以将车胎的气门桩连同周围部分车胎胶皮一起剪下，瓶盖上打一圆孔，孔的边缘应光滑，使气门桩恰好可以从瓶盖内侧卡入，孔边缘不必密封，充气后，气门桩边的胶皮紧压在瓶盖上，不会漏气. 向可乐瓶内打气时不能打得太多，确保实验安全.

图3 可乐瓶密封装置制作图

4 结束语

综上所述，采用温变油墨代替硝化棉，来完成“对空气做功使空气的内能增加”的实验，克服了空气压缩引火仪实验的弊端，实验现象明显，效果显著. 而且，温变油墨在中学物理很多演示实验中，都可以深入地挖掘.

[1] 莫滨.机械能与内能转化实验的错误分析及改进[J]. 物理教师，2016，37(7)：45-46.

Improvingtheexperimentofair-compressionigniter

YAN Fei1， MO Bin2

(1． Lotus Experimental School， Nanjing 210041, China；2． No.18 Middle School of Nanjing, Nanjing 210022, China)

Aiming at the problems, such as no ignition of the nitro-cotton, short burning time, the air-compression ignition experiment was improved. In the improved experiment, the temperature sensitive ink was used to replace the nitro-cotton to demonstrate the phenomena that doing work can increase the inner energy of the air. The effect was obvious.

air compression igniter; temperature sensitive ink; inner energy; nitro-cotton

G663.7

B

1005-4642(2017)11-0056-03

2017-06-16

南京市教育科学“十二五”规划2015年度课题(No.L/2015/038)

颜 沸(1977-)，男，江苏南京人，南京市莲花实验学校高级教师，硕士，从事中学物理教学工作.

[责任编辑：尹冬梅]