“点火爆炸”实验再改进

江苏省徐州市西苑中学(221002) 彭春艳 李德前

为了说明内能可以转化为机械能，江苏凤凰科学技术出版社编著的九年级物理教科书一直编排有“点火爆炸”实验。该实验利用长柄压电陶瓷点火器引爆酒精蒸气(装置见图1)，使酒精的化学能转换为内能，进而内能转化为机械能。

图1 教科书上点火爆炸实验装置

虽然该实验操作比较简便，但也存在一些不足，如胶卷盒不好配备，爆炸的成功率有限，接触式点火加大了操作者的胆怯心理等。我们在实验教学中基于“缺点列举法”“组合法”“替换法”等创新技法，着眼于“改变实验装置”“更换爆炸物”的创新思路，对该实验作进一步的优化和设计，取得了十分理想的教学效果。

1 改变实验装置

我们用注射器空筒替换胶卷盒，用遥控点火器替换接触式点火器，并将它们巧妙组合，从而构建新的实验装置。

1.1 实验装置

新设计的实验装置如图2所示(夹持仪器略)。

图2 新设计的酒精爆炸实验装置

1.2 实验用品

100 mL塑料注射器空筒、与空筒口径配套的橡皮塞、遥控脉冲点火器、铜丝网、强力胶、自锁式尼龙扎带、铁架台、酒精等。

1.3 制作仪器

(1)找一个100 mL塑料注射器，抽出芯杆，保留注射器空筒，如图3(a)所示。

(2)从注射器空筒的吸入口插入遥控点火器的点火线，并调整好插入导线的长度，再用强力胶封闭吸入口，如图3(b)所示。

(3)将注射器空筒倒置过来，在其中下部塞入一个铜丝网，如图3(c)所示。

(4)调整点火线的两个极点之间的距离，使其打火正常；用自锁式尼龙扎带，将遥控点火器捆扎在注射器空筒的中下部；再按空筒的口径，配一个大小合适的橡皮塞，如图3(d)所示。

图3 制作酒精爆炸装置的主要流程

(5)至此，酒精爆炸装置就做好了。

1.4 进行实验

(1)向注射器空筒内注入约5 mL酒精，再将橡皮塞紧紧塞到空筒口上，然后把实验装置固定在铁架台上。

(2)等酒精充分挥发，空筒里充满足量的酒精蒸气时，按下遥控器的点火开关，立即观察到橡皮塞被炸飞，同时听到强烈的爆炸声。上述实验现象说明，酒精燃烧伴随着化学能向内能的转化，并且内能可以转化为机械能。

(3)再次将橡皮塞塞到注射器空筒口，稍后点火，仍然发生爆炸；如此反复，通常可以引爆3～4次。

(4)实验结束，整理实验用品。

1.5 几点说明

(1)热天演示本实验，40 s左右酒精即可充分挥发；冷天演示该实验，为了加快酒精挥发，需要手捂注射器空筒加热1 min左右(或对空筒进行热水浴10 s左右)。

(2)通常情况下，酒精蒸气在空气中的爆炸极限是3.5%～18.0%(上限较低、范围较小)，因此冷天演示时对酒精的加热时间不宜过长，以免空筒里酒精蒸气的浓度高于18.0%。

(3)所用酒精溶液的浓度不宜低于75%，因为水分高了酒精难以引爆；所加酒精的量不宜超过10 mL，否则爆炸时易产生明火，极可能烧焦点火导线的绝缘皮。

(4)注射器空筒中的铜丝网具有良好的冷却作用(可以阻止爆炸时空筒底部剩下的酒精被引燃)，将其放置在注射器空筒25 mL刻度处较为合适。

(5)脉冲点火器的两个点火极点之间的距离，以5～7 mm为宜；点火时，按下遥控器开关即松手(瞬间放电即可)，不能长时间放电。

(6)点火时，要适时告知学生“本实验有惊无险”(下同)。

1.6 实验优点

(1)一次装药，可以引爆10次左右，有利于多个班级的连续授课，因此提高了实验教学的效益。

(2)本实验装置“一器多用”，还能用于演示汽油、天然气、氢气的爆炸实验，而且具有较强的情境性和观赏性。

(3)遥控点火器的使用，使操作者有足够的安全距离，因此提高了实验的安全性和可操作性。

(4)本装置改变了中学物理实验仪器多年不变的定式，因此激发了学生的创新意识。

2 更换爆炸物

我们还用易燃易爆物火柴替换酒精，把火柴放入V形玻璃管里加热，从而形成新的实验方案。

2.1 实验装置

新的实验方案如图4所示(夹持仪器略)。

图4 加热V形玻璃管中的火柴头

2.2 实验用品

6 mm×180 mm×180 mm的硬质V形玻璃管、酒精灯、铁架台、大头火柴等。

2.3 制作仪器

(1)截取一根外径约6 mm、长约37 cm的硬质玻璃管，并将玻璃管口熔光。

(2)利用酒精喷灯对玻璃管的中间部位进行均匀热熔，待玻璃管熔化后，左、右手同时稍稍用力向中间渐推；当两边玻璃管形成的夹角在95°左右时停止加热，然后将其放在石棉网上冷却，即得6 mm×180 mm×180 mm的V形玻璃管。

2.4 进行实验

(1)准备两根外观完全一样的大头火柴，将火柴头向下，分别放入V形玻璃管的两个支管内；手指轻弹玻璃管，两根火柴缓缓滑落到V形玻璃管的底部，并使两个火柴头紧密接触在一起。

(2)如图4所示，先将V形玻璃管固定在铁架台上，再点燃酒精灯加热两个火柴头。

(3)大约5～7 s，两个火柴头几乎同时“嘭”的一声爆燃，瞬间飞向空中，落到远处。上述实验现象说明，火柴头燃烧时化学能转化为内能，内能可以转化为机械能。

(4)实验结束，整理实验用品。

2.5 几点说明

(1)本实验中火柴头爆燃的一瞬间会产生高压热气流，因此要选用硬质玻璃管，以保证实验安全。

(2)确保实验中的两根火柴完全相同，那么受热时它们可以同时爆燃、同步飞出。

(3)本实验中的V形玻璃管外径不要太粗(以略大于火柴梗直径为宜)，以免爆燃时玻璃管内的气压不足，造成火柴梗不能快速飞向远处。

2.6 实验优点

(1)本实验是小仪器、大能量，开阔了学生的眼界，激发了学生的求知欲望。

(2)实验中两根火柴可以“比翼双飞”，因而该实验具有较强的可视性和趣味性。

(3)本实验能使学生直观感悟到能量的转化，并为教科书中后续的四冲程热机做功原理做好铺垫，有利于学生认识物理学科的应用价值。

3 结语

上述两个实验案例设计巧妙，不仅可以研究物理上的“能量转化”，还能研究化学上的“物质变化”和“爆炸条件”，有利于培养学生的学科综合能力和科学素养，从而充分发挥实验教学立德树人的功能。

总之，实验创新是加强中小学实验教学的重要途径，是学科育人的助推器。作为一线教师，我们要勤于实验改进，不断将科技新知识和装备新成果融入理科实验，从而为中小学实验课程开发出更多的优秀资源。