酒精灯火焰温度再探究

王宝权

摘要：通过实验对比，对酒精灯的内、外火焰的温度比较进行了再探究，并对该实验的系列现象作出了论证和分析。得出了与前不同的结论，即在通常情况下，酒精灯火焰各部位的温度高低顺序应为：底座处的外焰、内焰、上部的外焰、焰心。

关键词：酒精灯；外焰；内焰；温度；实验探究

文章编号：1005–6629（2017）6–0073–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

阅读《化学教学》2012年第6期第45页“比较酒精灯内、外焰温度高低的四种实验方法”一文后，很感兴趣。在文中程晓莉老师介绍了4种检验酒精灯火焰温度高低的实验方法：分别利用酒精灯火焰灼烧火柴梗、加热等体积的水、加热试管中的火柴头和加热铁丝网，得出了酒精灯的外焰温度比内焰高的结论[1]。事实果真如此吗？笔者组织学生分成4个探究小组分别重复该实验的四种方法，并通过对比实验进行了再探究和理论分析，得出了某些不同的结论。

1 分别改进用火柴梗、铁丝网的实验及反思

1.1 重复原实验并通过对比实验进行分析

程老师在文中的实验方法1和4中均提到实验成功的诀窍是“火柴梗和铁丝网距离灯芯上方大约5mm”。我们在实验中特意用一把钢尺测量了普通酒精灯火焰的高度，测量结果如图1所示（说明：由于没有使用灯罩，火焰跳动得较厉害，为了较精确地测量火焰各部分的长度，用手挡住一侧，火焰就能够平稳燃烧了，火焰高度的测量如果在跳动的情况下内焰和上部的外焰会相应拉长一些。）。

从灯芯的端点向上（灯芯超出灯外部分大约为1cm）：焰心对应的刻度为0～2cm，内焰对应的刻度为2～3cm，外焰对应的刻度为3～4cm，即焰心的实际高度为2cm，内焰的实际高度为1cm，而外焰的上部高度为1cm（其实外焰的真正高度是灯芯外长度+焰心+内焰的火苗+外焰的火苗约为5cm）。由此可见，灯芯上方的5mm完全在焰心对应的刻度为0～2cm的范围之内，这里正是焰心和外部火焰（外焰与内焰已合二为一）所共存的部位，故原实验1和4实际上比较的是焰心和外部火焰的温度高低，不能据此得出“外焰温度大于内焰”的结论。要比较内焰和外焰的温度高低，必须把火柴梗或铁丝网平放入的高度抬高到2～3cm刻度范围内（如图2中的位置“2”），再重复上述操作进行对比实验如表1所示，这样设计的实验才是比较周全的，得出的结论才是真实可靠的。

通过重做原实验1和4，我们发现原实验1和4只能得出“焰心的温度是明显低于外部火焰”的结论，而无法证明“外焰温度高于内焰”；而通过我们补充的上面两组对照实验，可以排除焰心的干扰，却得出“内焰的温度高于外焰”的截然相反的结论。

1.2 实验后的反思

火柴梗实验虽然经常出现在一些教辅资料的题目甚至教科书中，但其实使用火柴梗除了有以上的摆放位置不确切的误导外，还有一个缺点：火柴梗作为易燃物，在酒精灯的火焰上受热是很易燃着的，根本用不了3秒就会燃烧起来，若不仔细观察、比较，则很难看出哪里先炭化。可作以下改进：把火柴梗改为一段铁条，分别放在火焰的上部（外焰与内焰并存但没有焰心处）和下部（外部火焰与焰心共存处）进行灼烧，可以清楚地观察到火焰上部：内焰段铁条先红热、外焰段铁条后红热；火焰下部：外部火焰段先红热、焰心部分较长时间不能红热。以上是采用直线状的铁条作为实验器材，实际也可以延伸到使用平面状的铁丝网即程老师所述采用“石棉网一角的铁丝网”进行实验，但无论使用何种材料，放入火焰的位置应该科学、周到（至少要放两个位置：上面和下面各一次），不能“以偏概全”。

2 对加热水和火柴头实验的探究和反思

2.1 重复原实验并探析

重复原实验2和3：用10mL量筒量取3mL水两次，分别倒入两个外形相同且较细小的试管中，如图3（即原文图2）和图4（即原文图3）所示分别用内焰和外焰加热；取一个较细小的试管，如图5（即原文图4）和图6（即原文图5）所示：将火柴头向下装入，用试管夹夹住试管，让火柴头分别处在酒精灯的内焰和外焰处加热，并计时。

实验中我们发现尽管程老师强调了使用细小的试管，但能装入3mL的水并进行加热的试管其容积至少要9mL，其底面积还是较大的，并且向上倾斜45°的加热方式和加热的习惯等因素决定了图3和图5中的试管很容易触及或靠近焰心，而图4和图6中的试管很容易触及或靠近内焰，因为毕竟内焰和外焰的长度都只有1cm。从图3和图5所示的所用火焰的位置也不难看出，这两张图都使用了焰心和内焰的交界处的火焰进行加热，而图4和图6都使用了外焰和内焰的交界处的火焰进行加热，很明显前者（焰心与内焰交界处火焰）的温度肯定小于后者（内焰与外焰交界处火焰），所以程老师得到如原文中所述的实验现象就不难理解了。因此同样不能说明外焰的温度高于内焰，只是证明了外焰的温度大于焰心而已，之所以产生这样的偏差同样是实验的设计存在问题。

2.2 实验后的反思

实验时如何避免不同区域的火焰的干扰？可以做以下改進：取一段细条状铝片、用镊子或坩锅钳夹持，平着伸入内焰和外焰处（距灯芯约25mm处）加热，可以发现使用内焰加热的那段先变软成为悬挂状，经改进可以有效避免由于试管的倾斜角度较大以及底面积较大而“不小心”触及焰心上部和内焰上部而造成的实验干扰，也可以得出“内焰温度高于外焰”的结论。

3 依据火焰颜色和数字化仪器测定具体数据的分析

3.1 光谱和能量的角度

有研究表明[2]光谱和能量的关系是：红橙黄绿青蓝紫，从左往右的能量逐渐增加。仔细观察酒精灯的火焰可以发现：燃烧时的火焰除了各部位的尺寸比例与通常的示意图有很大的差别外，颜色也与教材和教辅资料上提到的淡蓝色大有不同。据我们观察大概分为四个部分：由下向上灯芯周围为淡蓝色，焰心为暗透明色，内焰为黄色，最上部的外焰是橙红色的。焰心部分是透明的（红外线），说明此处等离子辐射的能量不是很多，辐射的温度也不是很高。最上部的外焰是橙红色的，所以等离子辐射的能量要比焰心多，温度也比焰心处高一些，而内焰是黄色的，温度则更高，而最下部的外焰是淡蓝色，说明此处等离子辐射的能量最多，温度最高。由于我们平时使用的火焰大多是内外焰交界部分，下方的淡蓝色的外焰由于“位置不佳”往往被我们忽视了。我们采用在酒精灯的火焰中竖着插入铁丝网（可用石棉网的一角）的方法进行了实验探究，可清楚地观察到淡蓝色的下部外焰处铁丝网最先红热，其次是显黄色的内焰处，再次是顶部的外焰显橙红色的部分，焰心部分短时间内看不出红热。

3.2 数字化仪器测试数据的角度

另有研究表明用温度传感仪测试[3]酒精灯三层火焰温度的高低顺序为：焰心<外焰<内焰，其平均温度分别为焰心598℃、外焰667℃、内焰783℃；内焰最高温度可达867℃。长期以来，一般都认为酒精灯的外焰温度最高，认为酒精蒸气在外焰燃烧最充分，然而恰恰正是由于外焰与外界大气充分接触，所以燃烧时与环境的能量交换最充分，热量散失也最多，从而导致外焰温度低于内焰。若在酒精灯火焰外罩上灯罩可使外焰温度提高100℃左右，但即使这样，从上面的数据可知外焰的温度仍然低于内焰。

4 结论及思考

4.1 结论

我们通过直接观察、借助放大镜观察、拍照片观察等方法对酒精灯的火焰的构造进行了研究，其结构并不像我们平时在网上搜索的示意图那样像个洋葱头（如图7即原文中的图1），而更像一个亭亭玉立的细长型的小竹笋（如图8所示）。

火焰在灯芯以下的周围并没有明显地分成三层，而是均产生淡蓝色的底座火焰，超过灯芯的部分开始出现焰心、外焰同时逐渐分离出内焰，因此外焰是从底座到顶部完整的一个包围圈，而不应该只指最上部的那一段，而目前的研究和教学主要分析的是最上面一段。结合火焰颜色与温度的关系以及相关实验研究可得以下结论：通常情况下酒精灯火焰的温度顺序为：底座处的外焰>内焰>上部的外焰>焰心。

4.2 思考

在课堂教学中我们采用分组探究的形式对酒精灯火焰温度进行了探究，4个探究小组分别重复了程老师所设计的4种不同的方法。学生做实验往往能发现教师平时发现不了的问题，因为学生没有教师那么多的实验固有思维，学生往往胆子比较大，敢于嘗试，通常会因“错”得福。例如：在本文的火柴梗和铁丝网实验探究中，有部分学生没有按照教师的实验成功的诀窍：“火柴梗和铁丝网距离灯芯上方大约5mm”去做，而是放在了其他的位置，得到了与“成功现象”所不同的实验现象，难道他们的实验现象就是不成功的现象？实验现象是实验时在一定条件下产生的客观的事实，怎么能说它是“不成功的现象”呢？什么是成功的诀窍？难道只有得出“外焰温度大于内焰”才是成功？当我们实验发现了更多的不同于我们想要的那个结论的实验现象时，难道我们就该怀疑它们都是假象？或者说否定它们都是失败的现象？并对它们熟视无睹、视若惘闻吗？这显然不是实验探究的真正意义或价值所在。其实既然有“实验成功的诀窍”，就说明只有在满足“诀窍”的个别条件下才能“成功”，也恰恰证明了这个“诀窍和成功”不具有普遍性，经不起推敲，故实验的设计应该存在一定的问题。如果带着固有的实验结论或应有的实验现象去试验，那就是“照方抓药”式的虚假探究，那也是“前概念”中毒太深。“前概念”并非都是真理，有的“前概念”会对学生或者教师后面的学习或教学带来不利的影响。因此，通过实验探究[4]转变“前概念”中的不利影响不失为一种有效的教学策略。通过实验探究的事实，引起学生的认知冲突，进而敢于质疑“前概念”，从而逐渐推翻不正确的“前概念”。抓住教材上的一句话奉为真理的时代已经过去，因为没有绝对的真理，凡事都是在发展变化的。关键是教师敢于将真实的、复杂的现象作为教学情境，以学生为本，真正发扬民主、科学的作风，努力提升学生敢于质疑、敢于批判的严谨、求实的科学品质和发现问题、提出问题、解决问题等核心素养。

参考文献：

[1]程晓莉.比较酒精灯内、外焰温度高低的四种实验方法[J].化学教学，2012，（6）：45.

[2]明立平，李广洲.火焰的颜色[J].中学化学，2009，（9）：6～7.

[3]王克勤，逯俊玲，左志军.酒精灯加热温度的测定研究[J].化学教学，2003，（11）：42～43.

[4]胡翠红.初中生前科学概念的探索与研究[J].化学教学，中华现代教育，2007，（1）：52.