周靜

摘 要：對(duì)“壓縮氣體做功”實(shí)驗(yàn)的歷史沿革進(jìn)行了回顧，提出了改用熱敏紙進(jìn)行此實(shí)驗(yàn)的方法和建議。

關(guān)鍵詞：壓縮氣體做功；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；熱敏紙

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）5-0049-2

1 問題由來

中學(xué)物理教學(xué)中的“壓縮氣體做功”實(shí)驗(yàn)，是通過將外界機(jī)械能轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)儀器內(nèi)空氣的內(nèi)能，從而將實(shí)驗(yàn)儀器中的物質(zhì)點(diǎn)燃的實(shí)驗(yàn)過程。物質(zhì)燃燒的三個(gè)必要條件是可燃物、助燃物（氧化劑）和引火源（溫度）[1]。許多教師指出，在課堂上做這個(gè)實(shí)驗(yàn)往往不易成功，而且有一定的危險(xiǎn)性。下面進(jìn)行討論。

2 “壓縮氣體做功”實(shí)驗(yàn)的歷史沿革

從二十世紀(jì)50年代，中學(xué)物理教材就有“壓縮氣體做功”實(shí)驗(yàn)，其采用的是浸有乙醚的棉花?，F(xiàn)行多種版本教材采用其他材料作為燃燒物質(zhì)，部分現(xiàn)行教材對(duì)實(shí)驗(yàn)的敘述如表1所示。

②文獻(xiàn)[2]作者所在的浙江溫州地區(qū)采用。

③④筆者所在地區(qū)采用。

2.1 實(shí)驗(yàn)容易失敗的原因分析

實(shí)驗(yàn)容易失敗的原因，筆者認(rèn)為須從自燃的角度分析。通常不同實(shí)驗(yàn)物質(zhì)自燃點(diǎn)不同，同一種實(shí)驗(yàn)物質(zhì)在不同的條件下自燃點(diǎn)也會(huì)發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)物質(zhì)的自燃點(diǎn)越低，實(shí)驗(yàn)成功的概率就越高。液體、氣體的自燃點(diǎn)與壓力、氧濃度、催化、實(shí)驗(yàn)容器的材質(zhì)和表面積、體積比等因素有關(guān)。

有人說利用硝化棉代替蘸少許乙醚的棉花更好，這有待商榷。因?yàn)橄趸奘前咨z狀纖維，狀似棉花，露光分解變色，自燃點(diǎn)約為170 ℃，極易燃燒，且速度極快。當(dāng)環(huán)境溫度超過40 ℃，能加速其分解而自燃[6]。而乙醚是無色透明液體，有特殊刺激氣味，帶甜味，極易揮發(fā)，自燃點(diǎn)約為160 ℃。

對(duì)兩種實(shí)驗(yàn)物質(zhì)自燃點(diǎn)的分析，通常容易改變的實(shí)驗(yàn)條件就是對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器中空氣壓縮程度及壓縮速度的不同，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)物質(zhì)的自燃點(diǎn)的改變，影響到了實(shí)驗(yàn)的成功率。

2.2 危險(xiǎn)的改進(jìn)

文獻(xiàn)[2]的核心意思是提高實(shí)驗(yàn)儀器內(nèi)的含氧量，降低實(shí)驗(yàn)物質(zhì)的自燃點(diǎn)，提高實(shí)驗(yàn)的成功率。但是文獻(xiàn)[2]的作者忽視了實(shí)驗(yàn)的安全性，因?yàn)楫?dāng)乙醚中含有過氧化物時(shí)，蒸發(fā)后殘留的過氧化物當(dāng)溫度升到100 ℃以上時(shí)能引起強(qiáng)烈爆炸。如此易燃易爆的危險(xiǎn)品，文獻(xiàn)[2]的作者居然還敢于加入氧氣助燃，令人心驚。乙醚蒸氣在充氧密閉容器中可能會(huì)爆燃或爆炸，著實(shí)危險(xiǎn)。筆者希望對(duì)廣大讀者予以警示，此實(shí)驗(yàn)改進(jìn)不宜盲目模仿。

3 用熱敏紙做“壓縮氣體做功”實(shí)驗(yàn)

筆者提供一種安全的替代方案，采用熱敏紙?zhí)娲藁ā，F(xiàn)在熱敏紙很容易獲取，銀行、醫(yī)院等機(jī)構(gòu)的排隊(duì)叫號(hào)機(jī)打印紙，銀行ATM機(jī)憑條等均是熱敏紙。熱敏紙的特點(diǎn)是溫度上升到一定程度，其顏色由白色變成黑色。教師在演示前，將熱敏紙?jiān)诰凭珶艋鹧嫔峡疽幌?，即可看到變色現(xiàn)象，以此向?qū)W生解釋變色現(xiàn)象是由于溫度升高造成的，并且加熱溫度越高、時(shí)間越長，顏色越深。撕下一點(diǎn)熱敏紙平放入玻璃筒底，按照通常的實(shí)驗(yàn)操作，即可看到熱敏紙發(fā)黑，表明玻璃筒內(nèi)氣體溫度在壓縮時(shí)升高了。熱敏紙的顯色溫度為80～90 ℃[8]，較之上述各種材料的燃點(diǎn)都低，實(shí)驗(yàn)更容易成功。

實(shí)驗(yàn)中，若向下?lián)舸蛩俣群艽蟮脑?，熱敏紙有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象。這也很好理解，紙張的燃點(diǎn)是130～230 ℃，應(yīng)該比棉花易于成功，但是紙張與空氣的接觸面積比蓬松的棉花少得多，實(shí)驗(yàn)中紙張與空氣的熱傳遞相對(duì)困難，不易到達(dá)燃點(diǎn)。熱敏紙加熱溫度越低，顯色所需時(shí)間越長。改用熱敏紙變色的方式，不需換氣，即可反復(fù)壓縮，其相當(dāng)于增大加熱時(shí)間，可補(bǔ)償熱敏紙與空氣的熱傳遞困難所帶來的弊端，使之顯色。

4 結(jié) 語

新課程改革以來，教學(xué)愈加重視對(duì)學(xué)生的人文關(guān)懷，在初中階段，刪除了一些可能危害學(xué)生生命安全和身心健康的實(shí)驗(yàn)。中學(xué)生是未成年人，教師應(yīng)該將學(xué)生的安全放在首位。用熱敏紙做“壓縮氣體做功”實(shí)驗(yàn)最重要的優(yōu)點(diǎn)是，能夠確保學(xué)生安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸照欣，黃文興.“壓縮氣體做功，使氣體溫度升高”演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2001，21（2）：31

[2]彭國懷.“壓縮氣體做功”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J].物理教師， 2017， 38（9）：60.