初中物理空氣壓縮引火儀改進(jìn)

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摘要:對(duì)現(xiàn)行“空氣壓縮引火儀”的筒身、手柄、底座、壓縮桿進(jìn)行了改進(jìn)，利用改進(jìn)后的部件組裝成“高效空氣壓縮引火儀”。用新儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不需要很大的推力，小女生都能夠進(jìn)行。新儀器對(duì)可燃物的要求不高，只要是干燥常見(jiàn)的紙、脫脂棉、棉布、薄木片等都可以用于實(shí)驗(yàn)?？扇嘉锶紵龝r(shí)間長(zhǎng)，燃燒位置無(wú)遮擋，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象易觀察、成功率高。

關(guān)鍵詞:初中物理;內(nèi)能的改變;實(shí)驗(yàn)儀器;高效空氣壓縮引火儀

內(nèi)能是物體內(nèi)部構(gòu)成物質(zhì)的所有分子的動(dòng)能和勢(shì)能的總和。其動(dòng)能主要跟分子的運(yùn)動(dòng)情況有關(guān)，勢(shì)能主要跟分子之間的相互作用情況有關(guān)。初中物理教科書(shū)[1]在研究“物體內(nèi)能的改變”這個(gè)問(wèn)題時(shí)，通過(guò)實(shí)例和實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了：熱傳遞可以改變物體的內(nèi)能，做功也可以改變物體的內(nèi)能。為此，教科書(shū)設(shè)計(jì)了“空氣被壓縮時(shí)內(nèi)能增大”的演示實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)行初中物理學(xué)科配套的“空氣壓縮引火儀”在實(shí)驗(yàn)中存在成功率低等不足，我們進(jìn)行了較大的改進(jìn)，提高了效益。

一、初中物理教科書(shū)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

初中物理教科書(shū)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是：“在一個(gè)配有活塞的厚玻璃筒里放一小團(tuán)硝化棉，把活塞迅速壓下去，觀察發(fā)生的現(xiàn)象。”如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中所需要的硝化棉通常由儀器廠家配送，數(shù)量不多，幾次實(shí)驗(yàn)后就使用完畢，經(jīng)常斷貨，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)不得不另外尋找其他的可燃物代替。

二、現(xiàn)行“空氣壓縮引火儀”存在的不足

現(xiàn)行“空氣壓縮引火儀”主要由底座、筒身、筒蓋、壓縮桿、密封膠圈、手柄等部件構(gòu)成，其主要部件的高度與大小如圖2所示。其存在的主要不足如下。

1.手柄的不足

圓蓋形塑料手柄的上面稍微突出，直徑大約4cm，通常是用掌根或者掌心來(lái)按壓的，如圖3所示。由于比較光滑，不好握拿用力，不管是用掌心或者掌根來(lái)按壓都容易打滑不著力。同時(shí)，手柄與筒蓋之間相距太近，手指很容易碰到筒蓋而受傷。

2.底座的不足

圓形塑料底座的直徑大約6.5cm，由于底面積小，比較硬而光滑，與桌面的摩擦力比較小，在實(shí)驗(yàn)中很容易滑倒，需要用手掌或者拇指、食指、中指等一起來(lái)按壓底座才能保持穩(wěn)定，如圖3所示。

3.筒身的不足

筒身的總高度大約11cm左右，筒身有些短、內(nèi)徑小，筒內(nèi)空氣量少，導(dǎo)致閃燃時(shí)間極短，學(xué)生不容易觀察到閃燃的現(xiàn)象。同時(shí)，內(nèi)筒的底部通常就靠近底座上，往往被按壓底座的手指所遮擋，導(dǎo)致許多學(xué)生不能觀察到內(nèi)筒底部閃燃的現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)效果不好。

4.壓縮桿的不足

壓縮桿通常用不銹鋼做成，用密封膠圈封住的底部有平底和錐體兩種，如圖4所示。由于金屬具有良好的傳熱性，壓縮桿的金屬底直接與被壓縮的空氣接觸，導(dǎo)致被壓縮空氣增加內(nèi)能產(chǎn)生的熱量被壓縮桿的金屬迅速傳遞出去而使溫度達(dá)不到可燃物的著火點(diǎn)，不能讓可燃物燃燒。為了讓溫度升高達(dá)到可燃物的著火點(diǎn)而使其燃燒，只能使用更大的力量讓壓縮桿的底部直接與筒身的內(nèi)底撞擊以產(chǎn)生更多的熱量來(lái)提高溫度。但是，這樣的效果也并不好，用力太猛還容易造成筒身底部的破裂和折斷，如圖5所示。

三、儀器改進(jìn)的思路

針對(duì)現(xiàn)行配送“空氣壓縮引火儀”存在的問(wèn)題，我們的改進(jìn)思路是：增加底座的寬度和高度，提高儀器的穩(wěn)定性，防止實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象被遮擋，提高實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察度；將圓蓋形手柄改成長(zhǎng)條型手柄，方便握拿、用力；增加筒身的長(zhǎng)度和底部高度，以增加筒內(nèi)空氣量，延長(zhǎng)燃燒時(shí)間，抬高可燃物燃燒位置，方便觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；將壓縮桿底部直接插入膠塞里，用膠塞代替膠圈進(jìn)行密封，防止金屬與被壓縮空氣接觸，減少熱傳遞對(duì)內(nèi)能的消耗，確保被壓縮空氣的溫度維持一定的高度，以達(dá)到可燃物的著火點(diǎn)。

四、“高效空氣壓縮引火儀”制作

1.條形手柄制作

鋸一段粗細(xì)適中、長(zhǎng)約12cm的木棒，在中間位置鉆一個(gè)孔，裝入螺母并用502膠水固定，將金屬壓縮桿旋入即可。

2.防滑高寬底座制作

取一塊已經(jīng)打磨光滑、規(guī)格為11×7×5cm的長(zhǎng)方體木塊，在上面盡量靠一端鑿一個(gè)凹槽，把報(bào)廢“引火儀”塑料底座放進(jìn)去，并用502膠水固定好，木塊另一端簡(jiǎn)單切割、打磨、修飾，讓手握住按壓時(shí)感覺(jué)方便舒適，在木塊底部粘附一塊防滑膠墊即完成。

3.厚底加長(zhǎng)筒身制作

在網(wǎng)上選購(gòu)厚底型“引火儀”2臺(tái)，把其中一只筒身開(kāi)口部位的螺旋部分去掉，使用下半部分；另一只取筒身開(kāi)口部位的螺旋部分以下大約4.2cm，分別打磨平整，把兩筒粘接牢固，筒身長(zhǎng)度大約為15cm，筒身增高了，內(nèi)筒空氣容量增加了大約三分之一。

4.帶膠塞壓縮桿制作

取一根直徑約0.5cm，長(zhǎng)約18cm的金屬桿，一端做成螺絲狀，另一端打磨成直徑約2mm、長(zhǎng)7mm的圓錐體。取000號(hào)膠塞的大頭在中間鑿一個(gè)小圓錐洞，在洞內(nèi)和大頭部注入焊接劑膠水，把金屬桿的圓錐體插入膠塞洞內(nèi)，待膠水凝固后對(duì)膠塞進(jìn)行打磨，直至推拉壓縮桿感到輕松不費(fèi)力即可。膠塞的長(zhǎng)度要保持1.2cm左右，再在膠塞小頭的中間部位切開(kāi)一個(gè)深約6mm的切口夾縫，用來(lái)裝夾可燃物即可，如圖6所示。把各部件連接組裝就得到了“高效空氣壓縮引火儀”，如圖7所示?！案咝Э諝鈮嚎s引火儀”與常規(guī)“空氣壓縮引火儀”的對(duì)比，如圖8所示。

五、實(shí)驗(yàn)方法與效果

1.實(shí)驗(yàn)方法

用少量凡士林涂在壓縮桿的膠塞上，伸進(jìn)筒身內(nèi)上下旋轉(zhuǎn)推拉，保持潤(rùn)滑使壓縮桿容易推拉滑動(dòng)，使筒身內(nèi)部潔凈干燥。可以用一只手握住手柄，另一只手護(hù)住底座，垂直向下推壓壓縮桿；也可以將底座的按壓端朝向自己，雙手握住手柄，垂直向下推壓壓縮桿，如圖9所示。把干燥的可燃物垂直夾在壓縮桿膠塞的切口夾縫上，將壓縮桿的膠塞放進(jìn)筒口，旋轉(zhuǎn)筒蓋蓋緊，握住手柄，護(hù)住底座，用力垂直向下迅速下壓壓縮桿。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

可以看到：可燃物在筒身下面內(nèi)部燃燒起來(lái)，發(fā)出明亮的光芒，筒身都被照亮了，如圖10所示。（1）推力高效。即不需要使用很大的力量來(lái)推動(dòng)，145cm左右的小女生同樣能夠很輕松地完成實(shí)驗(yàn)，如圖9所示。（2）可燃物取材高效。除了教科書(shū)推薦的硝化棉，我們采用許多干燥易燃的常見(jiàn)物品，如廢舊報(bào)紙、A4紙、餐巾紙、棉布、脫脂棉、薄杉木片、羽毛、頭發(fā)、保鮮膜等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)效果都很好，這樣可燃物就不局限于難得的硝化棉而多樣化了，取材范圍拓寬了，取材效率提高了。部分易燃物實(shí)驗(yàn)前后效果對(duì)比，如圖11所示。（3）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察范圍高效。底座與筒身底部的同時(shí)增高，使可燃物燃燒位置抬高大約5cm，又沒(méi)有被遮擋，有效提高了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察范圍。（4）實(shí)驗(yàn)成功率高。橡膠塞減少了被壓縮空氣因金屬傳熱而導(dǎo)致的內(nèi)能消耗，提高了被壓縮空氣的溫度，使可燃物容易被點(diǎn)燃；筒內(nèi)空氣量增加，延長(zhǎng)了燃燒時(shí)間，從而提高了實(shí)驗(yàn)的成功率。（5）安全系數(shù)高。增加底座面積和使用防滑膠墊，能夠防止儀器滑倒；圓滑手柄改成了圓柱體，除了方便握拿用力，也防止了滑脫；同時(shí)，使用力量減少，可以避免因?qū)嶒?yàn)造成傷害的安全事故。（6）儀器使用效益高?？扇嘉锬軌蚓偷厝〔亩慌孪?；膠塞的使用和推力減小，防止了壓縮桿對(duì)筒身底部的碰撞損壞，延長(zhǎng)了儀器使用時(shí)間；同時(shí)安全系數(shù)提高了，可以放心讓學(xué)生使用儀器在課外進(jìn)行探究活動(dòng)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究精神。改進(jìn)后的“高效空氣壓縮引火儀”具有新穎性和高效性等特點(diǎn)，使用它能夠提高相關(guān)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效益，已經(jīng)申請(qǐng)了專利，進(jìn)行知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)。

參考文獻(xiàn)

[1]彭前程.義務(wù)教育教科書(shū)·物理·九年級(jí)·全一冊(cè)[M].北京：人民教育出版社，2013：7-9.

作者:楊光遠(yuǎn) 潘國(guó)榮 單位:貴州省雷山縣第三中學(xué)