王寶權

摘要：通過實驗對比，對酒精燈的內、外火焰的溫度比較進行了再探究，并對該實驗的系列現(xiàn)象作出了論證和分析。得出了與前不同的結論，即在通常情況下，酒精燈火焰各部位的溫度高低順序應為：底座處的外焰、內焰、上部的外焰、焰心。

關鍵詞：酒精燈；外焰；內焰；溫度；實驗探究

文章編號：1005–6629（2017）6–0073–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

閱讀《化學教學》2012年第6期第45頁“比較酒精燈內、外焰溫度高低的四種實驗方法”一文后，很感興趣。在文中程曉莉老師介紹了4種檢驗酒精燈火焰溫度高低的實驗方法：分別利用酒精燈火焰灼燒火柴梗、加熱等體積的水、加熱試管中的火柴頭和加熱鐵絲網，得出了酒精燈的外焰溫度比內焰高的結論[1]。事實果真如此嗎？筆者組織學生分成4個探究小組分別重復該實驗的四種方法，并通過對比實驗進行了再探究和理論分析，得出了某些不同的結論。

1 分別改進用火柴梗、鐵絲網的實驗及反思

1.1 重復原實驗并通過對比實驗進行分析

程老師在文中的實驗方法1和4中均提到實驗成功的訣竅是“火柴梗和鐵絲網距離燈芯上方大約5mm”。我們在實驗中特意用一把鋼尺測量了普通酒精燈火焰的高度，測量結果如圖1所示（說明：由于沒有使用燈罩，火焰跳動得較厲害，為了較精確地測量火焰各部分的長度，用手擋住一側，火焰就能夠平穩(wěn)燃燒了，火焰高度的測量如果在跳動的情況下內焰和上部的外焰會相應拉長一些。）。

從燈芯的端點向上（燈芯超出燈外部分大約為1cm）：焰心對應的刻度為0～2cm，內焰對應的刻度為2～3cm，外焰對應的刻度為3～4cm，即焰心的實際高度為2cm，內焰的實際高度為1cm，而外焰的上部高度為1cm（其實外焰的真正高度是燈芯外長度+焰心+內焰的火苗+外焰的火苗約為5cm）。由此可見，燈芯上方的5mm完全在焰心對應的刻度為0～2cm的范圍之內，這里正是焰心和外部火焰（外焰與內焰已合二為一）所共存的部位，故原實驗1和4實際上比較的是焰心和外部火焰的溫度高低，不能據此得出“外焰溫度大于內焰”的結論。要比較內焰和外焰的溫度高低，必須把火柴梗或鐵絲網平放入的高度抬高到2～3cm刻度范圍內（如圖2中的位置“2”），再重復上述操作進行對比實驗如表1所示，這樣設計的實驗才是比較周全的，得出的結論才是真實可靠的。

通過重做原實驗1和4，我們發(fā)現(xiàn)原實驗1和4只能得出“焰心的溫度是明顯低于外部火焰”的結論，而無法證明“外焰溫度高于內焰”；而通過我們補充的上面兩組對照實驗，可以排除焰心的干擾，卻得出“內焰的溫度高于外焰”的截然相反的結論。

1.2 實驗后的反思

火柴梗實驗雖然經常出現(xiàn)在一些教輔資料的題目甚至教科書中，但其實使用火柴梗除了有以上的擺放位置不確切的誤導外，還有一個缺點：火柴梗作為易燃物，在酒精燈的火焰上受熱是很易燃著的，根本用不了3秒就會燃燒起來，若不仔細觀察、比較，則很難看出哪里先炭化?？勺饕韵赂倪M：把火柴梗改為一段鐵條，分別放在火焰的上部（外焰與內焰并存但沒有焰心處）和下部（外部火焰與焰心共存處）進行灼燒，可以清楚地觀察到火焰上部：內焰段鐵條先紅熱、外焰段鐵條后紅熱；火焰下部：外部火焰段先紅熱、焰心部分較長時間不能紅熱。以上是采用直線狀的鐵條作為實驗器材，實際也可以延伸到使用平面狀的鐵絲網即程老師所述采用“石棉網一角的鐵絲網”進行實驗，但無論使用何種材料，放入火焰的位置應該科學、周到（至少要放兩個位置：上面和下面各一次），不能“以偏概全”。

2 對加熱水和火柴頭實驗的探究和反思

2.1 重復原實驗并探析

重復原實驗2和3：用10mL量筒量取3mL水兩次，分別倒入兩個外形相同且較細小的試管中，如圖3（即原文圖2）和圖4（即原文圖3）所示分別用內焰和外焰加熱；取一個較細小的試管，如圖5（即原文圖4）和圖6（即原文圖5）所示：將火柴頭向下裝入，用試管夾夾住試管，讓火柴頭分別處在酒精燈的內焰和外焰處加熱，并計時。

實驗中我們發(fā)現(xiàn)盡管程老師強調了使用細小的試管，但能裝入3mL的水并進行加熱的試管其容積至少要9mL，其底面積還是較大的，并且向上傾斜45°的加熱方式和加熱的習慣等因素決定了圖3和圖5中的試管很容易觸及或靠近焰心，而圖4和圖6中的試管很容易觸及或靠近內焰，因為畢竟內焰和外焰的長度都只有1cm。從圖3和圖5所示的所用火焰的位置也不難看出，這兩張圖都使用了焰心和內焰的交界處的火焰進行加熱，而圖4和圖6都使用了外焰和內焰的交界處的火焰進行加熱，很明顯前者（焰心與內焰交界處火焰）的溫度肯定小于后者（內焰與外焰交界處火焰），所以程老師得到如原文中所述的實驗現(xiàn)象就不難理解了。因此同樣不能說明外焰的溫度高于內焰，只是證明了外焰的溫度大于焰心而已，之所以產生這樣的偏差同樣是實驗的設計存在問題。

2.2 實驗后的反思

實驗時如何避免不同區(qū)域的火焰的干擾？可以做以下改進：取一段細條狀鋁片、用鑷子或坩鍋鉗夾持，平著伸入內焰和外焰處（距燈芯約25mm處）加熱，可以發(fā)現(xiàn)使用內焰加熱的那段先變軟成為懸掛狀，經改進可以有效避免由于試管的傾斜角度較大以及底面積較大而“不小心”觸及焰心上部和內焰上部而造成的實驗干擾，也可以得出“內焰溫度高于外焰”的結論。

3 依據火焰顏色和數字化儀器測定具體數據的分析

3.1 光譜和能量的角度

有研究表明[2]光譜和能量的關系是：紅橙黃綠青藍紫，從左往右的能量逐漸增加。仔細觀察酒精燈的火焰可以發(fā)現(xiàn)：燃燒時的火焰除了各部位的尺寸比例與通常的示意圖有很大的差別外，顏色也與教材和教輔資料上提到的淡藍色大有不同。據我們觀察大概分為四個部分：由下向上燈芯周圍為淡藍色，焰心為暗透明色，內焰為黃色，最上部的外焰是橙紅色的。焰心部分是透明的（紅外線），說明此處等離子輻射的能量不是很多，輻射的溫度也不是很高。最上部的外焰是橙紅色的，所以等離子輻射的能量要比焰心多，溫度也比焰心處高一些，而內焰是黃色的，溫度則更高，而最下部的外焰是淡藍色，說明此處等離子輻射的能量最多，溫度最高。由于我們平時使用的火焰大多是內外焰交界部分，下方的淡藍色的外焰由于“位置不佳”往往被我們忽視了。我們采用在酒精燈的火焰中豎著插入鐵絲網（可用石棉網的一角）的方法進行了實驗探究，可清楚地觀察到淡藍色的下部外焰處鐵絲網最先紅熱，其次是顯黃色的內焰處，再次是頂部的外焰顯橙紅色的部分，焰心部分短時間內看不出紅熱。

3.2 數字化儀器測試數據的角度

另有研究表明用溫度傳感儀測試[3]酒精燈三層火焰溫度的高低順序為：焰心<外焰<內焰，其平均溫度分別為焰心598℃、外焰667℃、內焰783℃；內焰最高溫度可達867℃。長期以來，一般都認為酒精燈的外焰溫度最高，認為酒精蒸氣在外焰燃燒最充分，然而恰恰正是由于外焰與外界大氣充分接觸，所以燃燒時與環(huán)境的能量交換最充分，熱量散失也最多，從而導致外焰溫度低于內焰。若在酒精燈火焰外罩上燈罩可使外焰溫度提高100℃左右，但即使這樣，從上面的數據可知外焰的溫度仍然低于內焰。

4 結論及思考

4.1 結論

我們通過直接觀察、借助放大鏡觀察、拍照片觀察等方法對酒精燈的火焰的構造進行了研究，其結構并不像我們平時在網上搜索的示意圖那樣像個洋蔥頭（如圖7即原文中的圖1），而更像一個亭亭玉立的細長型的小竹筍（如圖8所示）。

火焰在燈芯以下的周圍并沒有明顯地分成三層，而是均產生淡藍色的底座火焰，超過燈芯的部分開始出現(xiàn)焰心、外焰同時逐漸分離出內焰，因此外焰是從底座到頂部完整的一個包圍圈，而不應該只指最上部的那一段，而目前的研究和教學主要分析的是最上面一段。結合火焰顏色與溫度的關系以及相關實驗研究可得以下結論：通常情況下酒精燈火焰的溫度順序為：底座處的外焰>內焰>上部的外焰>焰心。

4.2 思考

在課堂教學中我們采用分組探究的形式對酒精燈火焰溫度進行了探究，4個探究小組分別重復了程老師所設計的4種不同的方法。學生做實驗往往能發(fā)現(xiàn)教師平時發(fā)現(xiàn)不了的問題，因為學生沒有教師那么多的實驗固有思維，學生往往膽子比較大，敢于嘗試，通常會因“錯”得福。例如：在本文的火柴梗和鐵絲網實驗探究中，有部分學生沒有按照教師的實驗成功的訣竅：“火柴梗和鐵絲網距離燈芯上方大約5mm”去做，而是放在了其他的位置，得到了與“成功現(xiàn)象”所不同的實驗現(xiàn)象，難道他們的實驗現(xiàn)象就是不成功的現(xiàn)象？實驗現(xiàn)象是實驗時在一定條件下產生的客觀的事實，怎么能說它是“不成功的現(xiàn)象”呢？什么是成功的訣竅？難道只有得出“外焰溫度大于內焰”才是成功？當我們實驗發(fā)現(xiàn)了更多的不同于我們想要的那個結論的實驗現(xiàn)象時，難道我們就該懷疑它們都是假象？或者說否定它們都是失敗的現(xiàn)象？并對它們熟視無睹、視若惘聞嗎？這顯然不是實驗探究的真正意義或價值所在。其實既然有“實驗成功的訣竅”，就說明只有在滿足“訣竅”的個別條件下才能“成功”，也恰恰證明了這個“訣竅和成功”不具有普遍性，經不起推敲，故實驗的設計應該存在一定的問題。如果帶著固有的實驗結論或應有的實驗現(xiàn)象去試驗，那就是“照方抓藥”式的虛假探究，那也是“前概念”中毒太深。“前概念”并非都是真理，有的“前概念”會對學生或者教師后面的學習或教學帶來不利的影響。因此，通過實驗探究[4]轉變“前概念”中的不利影響不失為一種有效的教學策略。通過實驗探究的事實，引起學生的認知沖突，進而敢于質疑“前概念”，從而逐漸推翻不正確的“前概念”。抓住教材上的一句話奉為真理的時代已經過去，因為沒有絕對的真理，凡事都是在發(fā)展變化的。關鍵是教師敢于將真實的、復雜的現(xiàn)象作為教學情境，以學生為本，真正發(fā)揚民主、科學的作風，努力提升學生敢于質疑、敢于批判的嚴謹、求實的科學品質和發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題等核心素養(yǎng)。

參考文獻：

[1]程曉莉.比較酒精燈內、外焰溫度高低的四種實驗方法[J].化學教學，2012，（6）：45.

[2]明立平，李廣洲.火焰的顏色[J].中學化學，2009，（9）：6～7.

[3]王克勤，逯俊玲，左志軍.酒精燈加熱溫度的測定研究[J].化學教學，2003，（11）：42～43.

[4]胡翠紅.初中生前科學概念的探索與研究[J].化學教學，中華現(xiàn)代教育，2007，（1）：52.