探究隔空点燃蜡烛刚熄灭的白烟的成功率

邓继红 丁伟 王祖浩 王政 何转有

摘要： 探究隔空点燃蜡烛刚熄灭时的白烟的成功概率。通过对照实验，揭示主要因素为棉芯粗细、熄灭方式、白烟采集方式。较理想做法为选择粗棉芯蜡烛，用嘴垂直向下快速吹灭，用颈短腹大的合适漏斗，用初测成功的蜡烛。用自制中漏斗，粗蜡烛燃烧1min以上可达100.0%，中、细蜡烛（有粗、细棉芯两种）燃烧时间>6min，棉芯较长，成功概率为80.0%～100.0%。拓展了该实验的应用方向。

关键词： 蜡烛; 棉芯粗细; 熄灭方式; 白烟采集; 实验改进

文章编号： 10056629（2018）3007305 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 问题提出与现有研究

《化学》（九年级）上册有探究实验“点燃蜡烛刚熄灭时产生的白烟” [1]。怎样才更可观察到点燃的是白烟而不是棉芯？怎样才更容易成功点燃？教师用书 [2]提示，粗蜡烛更容易成功。赵红 [3]等使用自制粗棉芯蜡烛来产生更多白烟。魏少兴 [4]用酒精灯帽盖灭、郑兴珍 [5]等用倒扣的漏斗收集白烟隔空点火在可观性上取得显著效果。本实验旨在探究隔空点燃蜡烛刚熄灭的白烟的理想条件，以期提高该演示实验的成功概率。

蜡烛由石蜡等组成，

石蜡主要成分是22、 28烷。点燃蜡烛需先点燃棉芯，放热使之熔化、气化为石蜡蒸气。烛芯上吸有蜡油，弯曲燃烧更完全，太直会结炭，太细易出泪，太粗易出烟 [6]。1820年法国人巴歇列发明了三根棉线编的烛芯，使之自然松开。有文献 [7]报道，用比烛焰稍大的玻璃管等套住焰心，在上端10cm外仍可点燃;也有用铝箔管条收集烛芯的蒸气的“子母共燃”实验 [8][9][10]。

2 实验用品与实验设计方法

2.1 实验用品

实验采用的蜡烛和漏斗见图1。市售的蜡烛分为细A[1.5（cm），5中线（分别为直径、棉芯数目，下同）];细B（1.5， 8中线）;中（1.8， 7中线）;粗（2.2， 8股×4细线）。漏斗类型分为市售大号[10（cm）， 4（cm），约1（cm 2），塑料（分别为底直径、颈长、颈孔、材质，下同）];自剪的中号（8， 3， 1，塑料或锡纸）;实验室的普通（8， 3， 0.5，玻璃）;一次性杯剪孔（8， 0.1， 1，塑料）漏斗。

图1 实验采用的蜡烛和漏斗

2.2 研究假设

根据作者和本科组陈尤、黄立红等老师的教学实践和文献资料 [11， 12]提出研究假设。分为三个主阶段： 产生足够的石蜡蒸气;收集聚拢管束状态的、浓度大的白烟;迅速点燃白烟。除去不可控的因素，影响隔空点燃蜡烛刚熄灭的白烟的成功率的因素，假设有如下几点： A.石蜡受热面积。如蜡烛的粗细、棉芯的粗细;并拢的蜡烛根数;初始棉芯长度;B.蜡烛燃烧时间。时间太短，石蜡蒸气不足;C.熄灭蜡烛方式。D.采集白烟方式。本文中点火方式均为用燃着的蜡烛尝试点燃白烟。固定其他因素，分别探究三个阶段各环节最佳条件。

3 实验过程与结果分析

3.1 细A蜡烛的对照实验

3.1.1 细A蜡烛的实验设计

对细A蜡烛的八组实验设计和成功概率见表1。其中熄灭方式为： ①用嘴随机方向吹灭;②用嘴垂直向下快速吹灭;③用塑料盖盖灭;④用普通漏斗压灭。

3.1.2 细A蜡烛实验结果分析

其他条件相同的情况下，第二组棉芯长1.5cm、 1.2cm概率分别为38.9%、 22.2%;1根为41.7%， 2根为25.0%，可见，1.5cm的起始棉芯长度（稍长）成功概率高一些。起始棉芯长度在燃烧数分钟后发生变化，安静地燃烧棉芯会增长一些。第三组火源距离棉芯1、 2、 2cm分别是100.0%、 0、 100.0%，可見，随机嘴吹的气流比较急促时，白烟逆向回流;气流缓慢时，白烟顺气流飘走。可预测，用嘴垂直向下快速吹灭蜡烛，蜡烛的白烟高效上飘能较全面被收集。从第一、四组可见，用嘴垂直向下快速吹灭蜡烛，比起用嘴随机方向（横或斜）吹灭蜡烛，成功概率高约一倍。由五组可见，用嘴垂直向下快速吹灭蜡烛的方式较好，原因一是使棉芯周边的液态石蜡更多转化为白烟;二是因为快速，白烟逆向上飘，赢取了时间，利于用漏斗采集更多的白烟。由六组可见，选择中漏斗比普通漏斗较容易成功。经后期粗蜡烛使用锡纸漏斗和一次性杯剪孔漏斗的比较，发现中漏斗成功率还是比普通漏斗高。可推测，是因为塑料中漏斗腹部空间容量较大，颈长较短，颈孔稍大所致。细A蜡烛燃烧时间少于3min，成功概率普遍较低，多次、多组试验发现，若燃烧时间超过5min效果会好得多。对照第四组、第一组棉芯1.5cm的（1～3min， 30.0%）和第三、五、六组（>6min， 50.0%）数据，结合多次试验结果可知，细A蜡烛，燃烧时间超过5min会好得多，如超过6min更容易成功。

2根蜡烛并拢燃烧，石蜡受热面积虽增大，但白烟浓度没有增大，即使同时增大漏斗，成功概率也不高。无漏斗时点火并不是距离棉芯越近越容易成功。盖灭后再倒扣漏斗，白烟散去一部分;侧压灭时，白烟产生较少。

3.2 细B蜡烛的对照实验

细A、 B蜡烛主要是棉芯粗细不同。第九组实验使用1根细B蜡烛，棉芯自然长度约为1.4cm，燃烧时间>6min，吹灭方式和漏斗不同，其中一次性杯底部剪孔小于1cm 2为超短颈漏斗。8组每组5根测一次，实验结果见图2（用spss软件制图）。

图2 细B蜡烛实验成功率

结果表明，细B蜡烛无漏斗点燃，横或斜着吹灭成功率比较高。有漏斗（60.0%）比无漏斗（50.0%）总概率高。有漏斗，垂直向下吹灭比较好。垂直向下快速吹灭，漏斗颈越短成功率越高。

累计有漏斗时的3组垂直向下吹的成功概率与横或斜着吹灭的比例为2∶1，第一、四组的成功概率也是2∶1。说明有漏斗，不管棉芯粗细，燃烧时间长短，垂直向下吹灭蜡烛均可以提高大约一倍的成功概率。

3.3 粗蜡烛的对照实验

3.3.1 粗蜡烛的成功率实验

第十组实验粗蜡烛棉芯自然长度约1.4cm，燃烧时间>4min，吹灭方式和漏斗不同。结果见图3，共8组每组5根对比实验。锡纸贴着中漏斗外围按压而成。

图3 粗蜡烛实验成功率

粗蜡烛产生的白烟既快又多。结合锡纸中漏斗分析，普通漏斗腹部容量较小、颈长且颈孔细，白烟易飘散。中漏斗效果相当好，有类似效果的是一次性杯剪孔漏斗。配合垂直向下快速吹灭，成功率均可达100.0%。

3.3.2 对照粗、中、细蜡烛的成功率

第十一组实验粗、中、细蜡烛比较。实验燃烧时间4min以上，垂直向下吹灭，继续做了4组中、细A蜡烛的实验，结果如图4所示。

图4 粗、中、细蜡烛的实验成功率

垂直向下吹灭，使用中漏斗采集白烟，结合细A四组、五组，从本组实验可知： 燃烧时间足够（>6min）有利于提高中、细蜡烛的成功概率。

3.3.3 对照粗蜡烛燃烧时间的影响

第十二组实验研究粗蜡烛合适的燃烧时间。垂直向下吹灭蜡烛，使用塑料中漏斗采集白烟，对3根粗蜡烛分别在约48、 86、 135s熄灭后均点燃了白烟;2根并拢的细A蜡烛在约2.5、 4、 5min进行实验均没被点燃。粗蜡烛燃烧近1min，石蜡表面可全部溶解，表面完全液化后有较高的成功率。而2根细A蜡烛并拢燃烧2.5～5min效果也不理想。石蜡受热面积相同，棉芯粗和棉芯细效果截然不同。棉芯粗焰心大，石蜡蒸气多，而棉芯细，火焰小，石蜡蒸气少，两者熄灭时产生的白烟明显不同，棉芯粗白烟多而浓。

3.4 各種蜡烛的总成功概率实验结果和分析

第十三组实验： 1根细A蜡烛（直径1.5cm，棉芯线5中线），棉芯1.5cm，燃烧时间>6min，用嘴随机方向吹灭蜡烛，用腹部较大的、颈长约3cm、颈孔约1cm 2的自制塑料中漏斗迅速采集并点燃白烟，5组各10根蜡烛测二次。成功概率约60.0%，对首次成功的二测可达70.0%以上。第十四组实验： 改用嘴垂直向下吹灭蜡烛，2组各10根蜡烛测二次。一测总概率为75.0%（四分之三），对首次成功的二测可达80.0%，这可能与其棉芯长度比较长、可形成的焰心容积比较大、蒸气多有关，也可能与其成分有关。课前7min试做成功的蜡烛，教师带两根去演示，可保证至少一支蜡烛实验成功。

第九组1根细B蜡烛（直径1.5cm，棉芯线8中线）棉芯自然长度约为1.4cm，燃烧时间>6min，用嘴垂直向下吹灭蜡烛，采用塑料中漏斗，点亮的概率为80.0%。若不用漏斗，横或斜着吹灭有80.0%，使用一次性杯剪孔漏斗可达100.0%。不管棉芯粗细，燃烧时间长短，有漏斗时，垂直向下吹灭蜡烛概率均可提高约一倍。

第十组粗蜡烛（直径2.2cm，棉芯线4细线×8股）、中蜡烛（直径1.8cm，棉芯线7中线）各1根，棉芯自然长度约1.4cm，燃烧时间>4min，垂直向下吹灭蜡烛，采用塑料中漏斗，粗蜡烛点燃的概率为100.0%。无漏斗，粗蜡烛横或斜着吹灭成功概率有90.0%。中蜡烛点燃的概率仅为20.0%。本组中蜡烛实验再结合第二、四组和第三、五、六、十一组细A、粗蜡烛的分析，可知燃烧时间足够（>6min）对于中、细蜡烛的成功很重要。

点燃刚熄灭的蜡烛的白烟，使用的点火方式对实验影响不大。用燃着的蜡烛点火要注意防止蜡油滴到棉芯上。火柴棒短较快燃光。棉签棒干燥、长度合适是较好的选择。粗蜡烛棉芯过短，也可能导致失败。粗蜡烛、粗棉芯容易形成浓度大的白烟还有一个原因是溶解的蜡油凹陷深度大。细蜡烛可用水浴冷却蜡烛形成深凹陷形状来进行实验 [13]。粗蜡烛棉芯除了棉线还有一根类似塑料的透明胶线，使燃烧过程有黑烟和较难闻气味，是课堂分组实验没被采用的原因。

4 结论与反思

4.1 探究隔空点燃蜡烛刚熄灭的白烟的概率实验结论

隔空点燃蜡烛刚熄灭的白烟，成功概率主要跟采用的蜡烛棉芯粗细、吹灭蜡烛的方向、采集白烟的漏斗形状紧密相关。采用1根蜡烛即可，用嘴垂直向下较快速吹灭蜡烛，采用颈孔适中颈短腹部大（底部直径约8cm，为蜡烛直径3～6倍）、颈短（<3cm）、颈孔适中（略<1cm 2）的中漏斗比较理想，使用曾经成功的蜡烛复测可提高概率。中、细蜡烛燃烧时间>6min、棉芯线较长（约1.5cm）比较理想，粗蜡烛只需燃烧1min以上即可。操作如图5。

图5 点燃蜡烛刚熄灭的白烟的高成功率做法

4.2 研究结论

综上，石蜡蒸气多，则白烟多。焰心大，则白烟多。白烟自然流向是随风飘走，气流急则逆向飘回。白烟流向一致易于形成大浓度，利于点燃。保持浓度大的白烟并使之畅通流动，为采集白烟的合适的容器。产生白烟阶段，棉芯越粗越有利，棉芯细的要燃烧足够长时间（>6min）效果才稍好;棉芯稍长且直有利。灭火阶段，用嘴垂直向下快速吹灭蜡烛的方式比盖灭、压灭方式更多地把蜡油转化为蒸气，可使白烟成聚拢状态、浓度较大地上飘。收集白烟阶段，用腹部容量稍大、颈稍短的漏斗成功率高。点火应及时迅速，在白烟散开前点燃。

4.3 反思与讨论

姚孟建 [14]用透明塑料管套住短蜡烛来使蜡烛复燃的实验正好验证垂直下吹的做法是有效的。王宝权 [15]用铁丝网隔离白烟来点燃的效果和一次性杯剪孔漏斗的短颈原理是一致的。从本实验还可以很好地解释为什么用嘴吹灭酒精灯（同为蒸气燃烧，棉芯非常粗）是很危险的。

对初入学的77名高中学生的调查发现，认为“化学实验一定要在讲台、实验室做的”有18人（23.4%），“化学实验一定要老师带领下才能做的”有29人（37.7%），故提高全民化学素养亟需改变化学实验观念。本实验除了作为高效的课堂演示实验外，也可以作为家庭趣味实验、魔术实验、DIY实验来设计开发 [16]。石蜡熔化温度低，棉芯容易获得，通过水浴加热可自制粗棉芯的、加香薰油的、有焰色反应效果的、营造节庆氛围的蜡烛等。除了从塑料罐中剪切漏斗，还可以用锡纸、铝箔等制作各种形状的采集白烟的容器。

上世纪九十年代电线还没有普及到农村家庭时，自制的照明煤油灯棉芯是很粗的，有的棉片条O型包裹在金属圈内处于焰心环境温度低是不怎么需要更换的。推测文献中介绍的子母共燃实验的成功率可以从改变棉芯形状（如燃气灶般O型）以增大焰心容积的角度改进。感兴趣的学生可以探究没棉芯的蜡烛能否燃烧（设法熔化石蜡有蒸气产生则可燃），从而理解为什么旺火炒菜锅里可

能会着火（油脂蒸气可燃）。耐高温玻璃尖管和注射器吸取焰心蒸气的实验改进 [17]，加上摄影技术应可以辅助捕捉白烟形成和燃烧的微观慢过程。

参考文献：

[1]王晶主编.义务教育教科书·化学（九年级上册）[M]，北京： 人民教育出版社，2012： 12，13，15.

[2][11]王晶主編.义务教育教科书·化学（九年级上册）教师用书[M].北京： 人民教育出版社，2016： 29.

[3][12]赵红，陈士元.自制初中化学实验用粗芯蜡烛[J].中国现代教育装备，2015，（3）： 37～38.

[4]邓继红.由化学教师实验能力大赛得到的启示[J].化学教学，2013，（12）： 27.

[5]郑杏珍，李坚毅.“蜡烛刚熄灭时白烟的点燃”实验改进[J].化学教育，2006，（12）： 50～50.

[6]张英华，黄志安等主编.燃烧与爆炸学（第2版）[M].北京： 冶金工业出版社， 2015： 57～59.

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[9]魏锐，方芳，杨萌.对蜡烛燃烧过程的探究[J].中小学实验与装备，2015，（1）： 4～7.

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[16]张发新，赵见，宋军，景如吉.现行《初中化学》实验内容编排刍议[J].化学教学，1990，（5）： 19～27.