红磷燃烧在热力环流实验中的应用与研究

山东省枣庄市教育科学研究院(277020) 冯统伟

山东省枣庄市市中区实验中学(277100) 孙启洋

山东省枣庄市第十六中学(277102) 王延娥

1 课题的由来

高一地理人教版课本必修一第36页中关于验证热力环流的实验，实验的步骤为：在一个用保鲜膜封闭的透明玻璃箱内，一边放冰块，一边放热水，当把一支点燃的香放入冰块一侧时，就能明显地看到烟在箱内循环流动(见图1)。

图1 课本中的热力环流图示

然而多数教师在进行该实验时，实验效果却很不明显，基本上看不到烟雾环流的现象。验证热力环流的实验是地理学科很重要的内容，按照课本中的设计进行该实验时，只有靠近讲台的几位学生能看到一点点实验现象，后面的学生基本上看不到烟雾环流的现象，一方面无法调动学生的学习热情，在学生脑海里无法留下深刻的印象；另一方面影响学生对热力环流原理的理解。从而导致很多教师在上课时不得不放弃实验，改为播放视频给学生看，视频只能让学生认识，却不能让学生信服，实验的说服力才是最大的。

热力环流是大气运动最简单的形式，是由于地面的冷热不均而形成的空气环流。其形成过程为：受热地区大气膨胀上升，近地面形成低气压，而高空形成高气压；受冷地区相反，从而在近地面和高空的水平面上形成了气压差，促使大气的水平运动，形成高低空的热力环流(见图2)。

图2 空气环流图示

热的地方空气受热膨胀上升，冷处收缩下沉。上空相同高度处，热的地方单位面积空气柱重量(即气压)大，冷的地方高空气压小，高空形成热-冷的气流。热处气流流失后，整个空气柱减轻，地面形成低压，冷处则形成高压，近地面形成冷-热的气流。加上上升、下沉气流，构成了热力环流[1]。

根据所学的化学知识可知，红磷是暗红或略带棕色的粉末，在空气中点燃时能剧烈燃烧，发黄光，冒白烟，放出大量的热。这个实验的放热现象特别明显，能生成大量的白烟。于是笔者想到利用红磷燃烧放出的大量的热来和另一侧放置的冰块产生气压差，生成白烟的运动模拟气体运动轨迹来增强实验效果。还可以把装置的背面设计成黑色，让背面的黑色和反应生成的白烟形成明显的对比，进一步增强实验的视觉效果。

从中国专利信息网上查询到的结果：杨佳友，刘其友：一种热力环流教学演示仪，[G09B23/16]申请号：CN201320026436.9。这种热力环流教学演示仪是一个透明长方体空腔，长方体空腔内设有发烟装置，在长方体空腔底部一边设有加热装置，在长方体空腔底部另一边设有制冷装置，长方体空腔顶部设有盖板，盖板可打开，盖板上设有穿孔，通过活塞可将穿孔打开或关闭[2]。按这种方法设计的装置在实际操作中，因为长方体空腔冷热效果不好，没有中间的挡板，导致实验现象只能在很小范围内被看到，效果仍是不好。

2 实验方案及设计

根据上述查找的资料和化学知识，热力环流演示装置的设计可分为3个方面：

(1)整体框架设计。热力环流演示装置的外形设计为长方形的箱子，箱子的长100 cm，宽30 cm，高80 cm；箱子的中间有一个挡板，挡板的上下方分别有一个高约10 cm的可以前后拉动的挡板，根据实验和学生观察实验现象的需要控制挡板的开关。

(2)灯光设计。箱子的前面(实验现象的观察面)是一个可以左右移动的玻璃板；对应面内侧涂成黑色，便于学生观察实验现象；箱子的顶端配有灯管，在红磷燃烧产生的白烟较多时，打开灯就可以更清楚地看清热力环流现象。

(3)冷热温差设计。在箱子的底部两侧分别放一个黄金加热管和一盒冰块，可以让箱子的两边形成冷热对比强烈的空气环境；在黄金加热管的左侧放一长条铁皮，铁皮的上面放适量的红磷(见图3)，利用红磷燃烧时产生大量的白烟模拟近地面冷热不均—空气的垂直运动(上升或下沉)—同一水平面上存在气压差异—空气的水平运动—形成热力环流。

图3 自制热力环流演示装置图

3 实验操作方法

(1)实验准备阶段：先把装置中间的上下两个挡板全部关闭，然后把冰块放到右侧区域一段时间，让右侧区域温度降低。为了能在右侧形成较冷的环境，可以提前十分钟左右将冰块放进去。

(2)实验操作过程：将装置前面的玻璃板拉开一小段空间，在铁皮上面放置少量红磷，用火柴去点燃红磷；点燃红磷后，快速把玻璃板推到关闭状态，可以看到生成的白烟在左侧区域从下方逐渐上升到顶部。这时闭合黄金加热管的开关，黄金加热管可以在短时间内把左侧区域的温度提高，可以看到白烟上升速度加快。

(3)实验现象讲解和观察：在左侧区域看到白烟充沛而且充满大部分区域时，接着把上下两个挡板拉开一半，让白烟进入到右侧区域，能看到右侧区域的白烟遇冷空气后快速下行。这时教师可以一边让学生观察白烟的运动轨迹，一边解说热力环流的成因。大多数学生能清楚观察到实验现象，并结合课本知识，认识热力环流的原理。

到最后看到左右两侧区域的白烟都充满时，把两个挡板全部打开，左右两侧的白烟在冷热对比强烈的空气环境里，形成热力环流的现象很明显，坐在班级最后面的学生也能清楚地看到实验现象(见图4)。

图4 实验现象

(4)实验整理：教师拔下装置连接的电源，把热力环流演示装置提到教室的外面，让装置自然冷却，利用装置右侧的冰块融化的水来吸收红磷燃烧生成的五氧化二磷。

4 结果分析

这个实验能很明显看到白烟的飘动现象，分析其原因是：黄金加热管可以短时间内给左侧的箱子提供很好的热量，让左侧的空气受热，气压降低；右侧的冰块可以让空气冷却，气压升高。将上下的活动挡板打开后，冷热两种空气就会因气压不同而发生流动的现象。白烟从黄金加热管上方向上飘，说明热的地方近地面产生低气压；白烟从冰块位置向黄金加热管方向飘动，说明冷的地方气压升高。从而让学生明白了由于冷热不均产生的气压差，促使大气的运动，形成高低空的热力环流。

红磷燃烧生成的五氧化二磷，需要用水吸收或通风处理。五氧化二磷为白色固体，易吸湿，360 ℃升华，溶于水产生大量热并生成磷酸，对乙醇的反应与水相似，相对密度2.39 g/cm3，熔点340 ℃，为酸性氧化物，有腐蚀性，不可用手直接触摸或食用，也不可直接闻气味。因此在进行演示操作过程中，点燃红磷后，就要快速把玻璃板推好，直到实验结束都不要打开演示装置，防止生成的五氧化二磷逸出。等下课后再把本装置拿到室外无人处打开通风，或者等第二天再打开，让右侧的冰溶化成水，利用水吸收五氧化二磷。

5 结论

热力环流的原理作为高中阶段地理学科重要的理论性知识，对于理解气压带和风带，以及常见天气系统的形成与影响具有重要作用。但是热力环流的原理相对较为抽象，而且课堂教学较为枯燥乏味，导致学生对原理掌握不透彻，理解不够全面。基于该原理的重要性及学生学情的现实状况。笔者经过反复查找资料和试验，制定了红磷燃烧热力环流实验方案，由此制作的实验器材验证了红磷燃烧验证热力环流实验的可行性和高效性。