“空氣壓縮引火儀”實驗改進

張軍民 蔡旺

摘 要：在初中物理課堂演示實驗過程中發(fā)現(xiàn)利用空氣壓縮引火儀研究做功能否改變物體的內(nèi)能時實驗現(xiàn)象不十分明顯，進而引起思考，并對實驗進行一系列改進，增強了實驗的可操作性、方便性以及新穎性.

關(guān)鍵詞：初中物理;空氣壓縮引火儀;實驗改進

文章編號：1008-4134（2020）06-0022 ? ?中圖分類號：G633.7 ? ?文獻標識碼：B

初中物理教學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，其中演示實驗是整個實驗教學(xué)的重要組成部分，它對學(xué)生建立物理概念和物理規(guī)律起到重要作用，同時對培養(yǎng)學(xué)生觀察能力、思維能力和分析能力也起到積極作用.筆者聽了蘇科版九年級上冊第十二章第四節(jié)“機械能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化”一節(jié)課教學(xué)，其中利用“空氣壓縮引火儀”研究做功能否改變物體的內(nèi)能這一演示實驗，筆者在觀察教師們演示過程中，針對演示的具體情況，認為這一實驗還有待于進一步改進.

1 教材實驗分析

如圖1所示，在空氣壓縮引火儀的玻璃筒底部放入一團蘸有乙醚的棉花，用力將活塞迅速下壓，你看到了什么？

教師在演示實驗過程中，基本上都是按照書本上要求去操作.從實際操作來看，演示實驗大多數(shù)不容易做成功，原因有很多，但其中有一條是教師為了想讓實驗成功，往往在棉花上蘸了過量的乙醚.由于乙醚容易揮發(fā)，實驗再沒有及時演示，在棉花上將留下較多水份，結(jié)果弄巧成拙，實驗反而不易成功.后來書本上對此實驗又加以改進：在空氣壓縮引火儀的玻璃筒底部放入一團棉花，棉花上不再蘸乙醚，但是筆者發(fā)現(xiàn)教師在做實驗時仍然不易成功.筆者課后與教師們經(jīng)過多次實驗，對課本上的實驗提出一些改進建議.

2 空氣壓縮引火儀實驗改進

2.1 引火材料的改進

該實驗是研究做功能否改變物體的內(nèi)能，在向下用力壓活塞時，要求下壓要迅速，這樣在短時間內(nèi)通過做功將活塞機械能轉(zhuǎn)化為空氣和棉花的內(nèi)能，使棉花瞬間內(nèi)能增加較多，溫度較高，從而使棉花燃燒.但是如果棉花團做得較大，容易造成里面不干燥，棉花不易燃燒.

改進一：使用的棉絮量要少，而且盡量蓬松、干燥，如圖2所示，也可以使用脫脂棉絮做實驗材料.同時在做實驗時要注意使活塞下壓的速度盡可能的快，這樣，該實驗現(xiàn)象較為明顯.

改進二：將棉絮換成柔軟干燥的衛(wèi)生紙.經(jīng)過筆者的試驗和摸索，把棉絮換成柔軟干燥的衛(wèi)生紙效果也很好.首先這種材料在日常生活中既便宜又隨處可見，其次是非常安全，還不會對空氣壓縮引火儀造成傷害.具體做法是把衛(wèi)生紙撕下很細小的一塊，用塑料棒把該紙片推入空氣壓縮引火儀底部進行試驗即可.

改進意圖：脫脂棉絮不常見，普通棉花不容易燃燒，同時活塞壓縮如果較慢，實驗效果也不是非常好.選用常用的衛(wèi)生紙，比較干燥，不用擔(dān)心引火材料是否缺乏的問題.

注意事項：每次實驗后，都要讓新鮮的空氣進入到空氣壓縮引火儀內(nèi)部，保證供氧量.具體做法是用較粗的筆桿而不是細鐵絲之類的工具把新的實驗材料——衛(wèi)生紙推到空氣壓縮引火儀底部——這樣可以把廢氣擠出.

改進三：使用火柴頭上的“火藥”.由于棉花一般家庭不常備，所以較為難找，即使找到了，實驗效果也不太好，一方面其著火點較高，另一方面由于保存問題導(dǎo)致潮濕或者雜質(zhì)多.所以采用了火柴頭來做實驗.一般來說，火柴頭一定要嚴格控制數(shù)量（1/2或者1/3火柴頭分量可以保證安全）.筆者過去由于經(jīng)驗欠缺，在使用火柴頭做材料時，前幾次實驗都沒有成功，同時火柴頭都堆積在底部，沒有注意及時清理出來.結(jié)果在做實驗的時候，一聲巨響，空氣壓縮引火儀底部被炸開，差點造成了教學(xué)事故.自那次實驗以后不到萬不得已，不采用化學(xué)藥品類可燃物做這個實驗.如果用了此類物質(zhì)，也一定要在每次實驗后注意清理藥粉殘留物，防止因為殘留物堆積到一定的限度出現(xiàn)意外事故.

2.2 實驗裝置的改進

使用該實驗裝置進行實驗，要使實驗現(xiàn)象明顯，演示者必須快速向下壓活塞.但是在實際操作時，由于下壓活塞過程中，里面氣體的氣壓增大，下壓的壓力也增大，導(dǎo)致演示者不能快速向下壓活塞，因此實驗成功率較低.以前筆者在組織初中物理教師實驗技能競賽時，就使用過該實驗裝置，從實際操作來看，教師們在做此實驗時，成功完成該實驗的也不多.

2.2.1 實驗裝置存在的問題

課本上實驗裝置看起來精美，但是真正操作起來，還是存在很多問題，個人總結(jié)有以下四點：一是實驗過程中演示者需要用手固定器材上部，防止在用力時由于用力方向有偏差而造成裝置突然翻倒，如果用手握住，造成遮擋區(qū)域較大，學(xué)生觀察受到影響;二是實驗時還需要較大力氣快速下壓，對于力氣較小的女教師和學(xué)生來說，該實驗的成功率往往不高，初中物理實驗技能競賽結(jié)果也說明了這點;三是教師在教室做演示實驗時，為了增加實驗現(xiàn)象的可視度，需要將該實驗裝置放在高處讓后面的學(xué)生也能看見，這樣就導(dǎo)致身高較矮的教師和學(xué)生無法順利操作;四是快速下壓的穩(wěn)定性不高，一旦翻倒會對操作人員手腕造成危險.正是存在上述原因，筆者在與教師交流過程中，認為對該實驗裝置進行適當改進，就可以快速完成上述實驗.

2.2.2 實驗器材操作上的改進

針對上述存在的問題，主要從器材輔助方面著手進行了一些改進.根據(jù)教學(xué)中存在的問題，設(shè)計了一套輔助實驗器材，并將其命名為空氣壓縮引火儀輔助實驗器.

輔助裝置簡介：滑道、金屬圈、緊固螺絲、加強底座以及鐵架臺等（如圖3所示）.

簡單操作過程：將細小的衛(wèi)生紙使用圓珠筆桿推入空氣壓縮引火儀底部（如圖4所示）;然后將空氣壓縮引火儀放入金屬圈（如圖5所示）;再將輔助實驗器的金屬筒插在鐵架臺上，調(diào)節(jié)好輔助實驗器高度（如圖6所示）;迅速下壓金屬桿，可以清晰看見空氣壓縮引火儀內(nèi)的衛(wèi)生紙燃燒（如圖7所示）;為了便于學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象，將該裝置放于高處的凳子上，實驗仍可以方便順利進行（如圖8所示）.

2.2.3 輔助裝置在使用時注意事項

為了使實驗正常、方便、安全進行，在該實驗上安裝了輔助裝置.但在實驗演示時，使用輔助裝置操作要注意兩點：一是左手要扶住鐵架臺的金屬桿，避免右手用力的時候壓翻鐵架臺;二是輔助裝置底座一定要用扳手將緊固螺絲牢牢固定在鐵架臺的金屬桿上，如果輔助裝置的金屬筒松動，當我們用力下壓時，松動的金屬筒會突然沿著鐵架臺的金屬桿向上移動沖擊握著金屬桿的手，這會造成傷害事故.因此為了操作安全一定要確保螺絲緊固到位，同時戴上防割手套.

3 實驗改進幾點感悟

之所以要對空氣壓縮引火儀實驗進行改進，就是因為師生在實驗時，操作難度大，實驗現(xiàn)象也不太明顯等問題，長期以來，許多教師在教學(xué)時對這個實驗都是進行講解，不想或不敢去做，怕失敗.經(jīng)改進后，該實驗在教學(xué)中應(yīng)用效果非常顯著，師生反映也不錯.同時，改進后的實驗裝置在江蘇省初中物理實驗創(chuàng)新比賽中獲得二等獎.從上述實驗改進后并在之后教學(xué)過程中應(yīng)用來看，筆者對改進的實驗有幾點感悟：（1）操作更方便.改裝后的實驗裝置，師生操作時省時省力，過程也比較簡單，不太復(fù)雜;（2）現(xiàn)象更明顯.該裝置改進后，無論學(xué)生操作上還是女教師操作上方便多了，同時實驗材料使用柔軟干燥的衛(wèi)生紙，使實驗現(xiàn)象更加明顯;（3）思路更新穎.在常見的壓縮引火儀上加裝杠桿，使用時即使是力氣較小的師生也可以輕松操作，克服了原有器材中操作者力氣小點火不明顯的缺陷;（4）安裝更穩(wěn)定.整個實驗裝置是放在鐵架臺上的，并用鐵圈固定好，使裝置更加穩(wěn)定，增強實驗的成功率和安全性.

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（收稿日期：2019-11-11）