用热敏纸改进压缩气体做功实验

周静

摘 要：对“压缩气体做功”实验的历史沿革进行了回顾，提出了改用热敏纸进行此实验的方法和建议。

关键词：压缩气体做功；实验改进；热敏纸

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）5-0049-2

1 問题由来

中学物理教学中的“压缩气体做功”实验，是通过将外界机械能转化为实验仪器内空气的内能，从而将实验仪器中的物质点燃的实验过程。物质燃烧的三个必要条件是可燃物、助燃物（氧化剂）和引火源（温度）[1]。许多教师指出，在课堂上做这个实验往往不易成功，而且有一定的危险性。下面进行讨论。

2 “压缩气体做功”实验的历史沿革

从二十世纪50年代，中学物理教材就有“压缩气体做功”实验，其采用的是浸有乙醚的棉花。现行多种版本教材采用其他材料作为燃烧物质，部分现行教材对实验的叙述如表1所示。

②文献[2]作者所在的浙江温州地区采用。

③④笔者所在地区采用。

2.1 实验容易失败的原因分析

实验容易失败的原因，笔者认为须从自燃的角度分析。通常不同实验物质自燃点不同，同一种实验物质在不同的条件下自燃点也会发生变化。实验物质的自燃点越低，实验成功的概率就越高。液体、气体的自燃点与压力、氧浓度、催化、实验容器的材质和表面积、体积比等因素有关。

有人说利用硝化棉代替蘸少许乙醚的棉花更好，这有待商榷。因为硝化棉是白色丝状纤维，状似棉花，露光分解变色，自燃点约为170 ℃，极易燃烧，且速度极快。当环境温度超过40 ℃，能加速其分解而自燃[6]。而乙醚是无色透明液体，有特殊刺激气味，带甜味，极易挥发，自燃点约为160 ℃。

对两种实验物质自燃点的分析，通常容易改变的实验条件就是对实验仪器中空气压缩程度及压缩速度的不同，导致实验物质的自燃点的改变，影响到了实验的成功率。

2.2 危险的改进

文献[2]的核心意思是提高实验仪器内的含氧量，降低实验物质的自燃点，提高实验的成功率。但是文献[2]的作者忽视了实验的安全性，因为当乙醚中含有过氧化物时，蒸发后残留的过氧化物当温度升到100 ℃以上时能引起强烈爆炸。如此易燃易爆的危险品，文献[2]的作者居然还敢于加入氧气助燃，令人心惊。乙醚蒸气在充氧密闭容器中可能会爆燃或爆炸，着实危险。笔者希望对广大读者予以警示，此实验改进不宜盲目模仿。

3 用热敏纸做“压缩气体做功”实验

笔者提供一种安全的替代方案，采用热敏纸替代棉花。现在热敏纸很容易获取，银行、医院等机构的排队叫号机打印纸，银行ATM机凭条等均是热敏纸。热敏纸的特点是温度上升到一定程度，其颜色由白色变成黑色。教师在演示前，将热敏纸在酒精灯火焰上烤一下，即可看到变色现象，以此向学生解释变色现象是由于温度升高造成的，并且加热温度越高、时间越长，颜色越深。撕下一点热敏纸平放入玻璃筒底，按照通常的实验操作，即可看到热敏纸发黑，表明玻璃筒内气体温度在压缩时升高了。热敏纸的显色温度为80～90 ℃[8]，较之上述各种材料的燃点都低，实验更容易成功。

实验中，若向下击打速度很大的话，热敏纸有时也会出现燃烧现象。这也很好理解，纸张的燃点是130～230 ℃，应该比棉花易于成功，但是纸张与空气的接触面积比蓬松的棉花少得多，实验中纸张与空气的热传递相对困难，不易到达燃点。热敏纸加热温度越低，显色所需时间越长。改用热敏纸变色的方式，不需换气，即可反复压缩，其相当于增大加热时间，可补偿热敏纸与空气的热传递困难所带来的弊端，使之显色。

4 结 语

新课程改革以来，教学愈加重视对学生的人文关怀，在初中阶段，删除了一些可能危害学生生命安全和身心健康的实验。中学生是未成年人，教师应该将学生的安全放在首位。用热敏纸做“压缩气体做功”实验最重要的优点是，能够确保学生安全。

参考文献：

[1]陆照欣，黄文兴.“压缩气体做功，使气体温度升高”演示实验的改进[J].物理实验，2001，21（2）：31

[2]彭国怀.“压缩气体做功”实验改进[J].物理教师， 2017， 38（9）：60.