初中物理空氣壓縮引火儀改進
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摘要:對現(xiàn)行“空氣壓縮引火儀”的筒身、手柄、底座、壓縮桿進行了改進，利用改進后的部件組裝成“高效空氣壓縮引火儀”。用新儀器進行實驗，不需要很大的推力，小女生都能夠進行。新儀器對可燃物的要求不高，只要是干燥常見的紙、脫脂棉、棉布、薄木片等都可以用于實驗?？扇嘉锶紵龝r間長，燃燒位置無遮擋，實驗現(xiàn)象易觀察、成功率高。
內能是物體內部構成物質的所有分子的動能和勢能的總和。其動能主要跟分子的運動情況有關，勢能主要跟分子之間的相互作用情況有關。初中物理教科書[1]在研究“物體內能的改變”這個問題時，通過實例和實驗說明了：熱傳遞可以改變物體的內能，做功也可以改變物體的內能。為此，教科書設計了“空氣被壓縮時內能增大”的演示實驗?，F(xiàn)行初中物理學科配套的“空氣壓縮引火儀”在實驗中存在成功率低等不足，我們進行了較大的改進，提高了效益。
一、初中物理教科書的實驗設計
初中物理教科書的實驗設計是：“在一個配有活塞的厚玻璃筒里放一小團硝化棉，把活塞迅速壓下去，觀察發(fā)生的現(xiàn)象?！比鐖D1所示。實驗中所需要的硝化棉通常由儀器廠家配送，數(shù)量不多，幾次實驗后就使用完畢，經常斷貨，導致實驗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按壓都容易打滑不著力。同時，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，在實驗中很容易滑倒，需要用手掌或者拇指、食指、中指等一起來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、內徑小，筒內空氣量少，導致閃燃時間極短，學生不容易觀察到閃燃的現(xiàn)象。同時，內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，導致許多學生不能觀察到內筒底部閃燃的現(xiàn)象，實驗效果不好。
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，導致被壓縮空氣增加內能產生的熱量被壓縮桿的金屬迅速傳遞出去而使溫度達不到可燃物的著火點，不能讓可燃物燃燒。為了讓溫度升高達到可燃物的著火點而使其燃燒，只能使用更大的力量讓壓縮桿的底部直接與筒身的內底撞擊以產生更多的熱量來提高溫度。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、儀器改進的思路
針對現(xiàn)行配送“空氣壓縮引火儀”存在的問題，我們的改進思路是：增加底座的寬度和高度，提高儀器的穩(wěn)定性，防止實驗現(xiàn)象被遮擋，提高實驗現(xiàn)象的觀察度；將圓蓋形手柄改成長條型手柄，方便握拿、用力；增加筒身的長度和底部高度，以增加筒內空氣量，延長燃燒時間，抬高可燃物燃燒位置，方便觀察實驗現(xiàn)象；將壓縮桿底部直接插入膠塞里，用膠塞代替膠圈進行密封，防止金屬與被壓縮空氣接觸，減少熱傳遞對內能的消耗，確保被壓縮空氣的溫度維持一定的高度，以達到可燃物的著火點。
四、“高效空氣壓縮引火儀”制作
1.條形手柄制作
鋸一段粗細適中、長約12cm的木棒，在中間位置鉆一個孔，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
取一塊已經打磨光滑、規(guī)格為11×7×5cm的長方體木塊，在上面盡量靠一端鑿一個凹槽，把報廢“引火儀”塑料底座放進去，并用502膠水固定好，木塊另一端簡單切割、打磨、修飾，讓手握住按壓時感覺方便舒適，在木塊底部粘附一塊防滑膠墊即完成。
3.厚底加長筒身制作
在網上選購厚底型“引火儀”2臺，把其中一只筒身開口部位的螺旋部分去掉，使用下半部分；另一只取筒身開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，筒身長度大約為15cm，筒身增高了，內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，長約18cm的金屬桿，一端做成螺絲狀，另一端打磨成直徑約2mm、長7mm的圓錐體。取000號膠塞的大頭在中間鑿一個小圓錐洞，在洞內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，待膠水凝固后對膠塞進行打磨，直至推拉壓縮桿感到輕松不費力即可。膠塞的長度要保持1.2cm左右，再在膠塞小頭的中間部位切開一個深約6mm的切口夾縫，用來裝夾可燃物即可，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”的對比，如圖8所示。
五、實驗方法與效果
1.實驗方法
用少量凡士林涂在壓縮桿的膠塞上，伸進筒身內上下旋轉推拉，保持潤滑使壓縮桿容易推拉滑動，使筒身內部潔凈干燥。可以用一只手握住手柄，另一只手護住底座，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筒口，旋轉筒蓋蓋緊，握住手柄，護住底座，用力垂直向下迅速下壓壓縮桿。
2.實驗結果
可以看到：可燃物在筒身下面內部燃燒起來，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推動，145cm左右的小女生同樣能夠很輕松地完成實驗，如圖9所示。（2）可燃物取材高效。除了教科書推薦的硝化棉，我們采用許多干燥易燃的常見物品，如廢舊報紙、A4紙、餐巾紙、棉布、脫脂棉、薄杉木片、羽毛、頭發(fā)、保鮮膜等進行實驗效果都很好，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。部分易燃物實驗前后效果對比，如圖11所示。（3）實驗現(xiàn)象觀察范圍高效。底座與筒身底部的同時增高，使可燃物燃燒位置抬高大約5cm，又沒有被遮擋，有效提高了實驗現(xiàn)象的觀察范圍。（4）實驗成功率高。橡膠塞減少了被壓縮空氣因金屬傳熱而導致的內能消耗，提高了被壓縮空氣的溫度，使可燃物容易被點燃；筒內空氣量增加，延長了燃燒時間，從而提高了實驗的成功率。（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，使用力量減少，可以避免因實驗造成傷害的安全事故。（6）儀器使用效益高。可燃物能夠就地取材而不怕消耗；膠塞的使用和推力減小，防止了壓縮桿對筒身底部的碰撞損壞，延長了儀器使用時間；同時安全系數(shù)提高了，可以放心讓學生使用儀器在課外進行探究活動實驗，培養(yǎng)學生科學探究精神。改進后的“高效空氣壓縮引火儀”具有新穎性和高效性等特點，使用它能夠提高相關實驗的教學效益，已經申請了專利，進行知識產權的保護。
參考文獻
[1]彭前程.義務教育教科書·物理·九年級·全一冊[M].北京：人民教育出版社，2013：7-9.
作者:楊光遠 潘國榮 單位:貴州省雷山縣第三中學
