初中物理空气压缩引火仪改进

摘要:对现行“空气压缩引火仪”的筒身、手柄、底座、压缩杆进行了改进，利用改进后的部件组装成“高效空气压缩引火仪”。用新仪器进行实验，不需要很大的推力，小女生都能够进行。新仪器对可燃物的要求不高，只要是干燥常见的纸、脱脂棉、棉布、薄木片等都可以用于实验。可燃物燃烧时间长，燃烧位置无遮挡，实验现象易观察、成功率高。

关键词:初中物理;内能的改变;实验仪器;高效空气压缩引火仪

内能是物体内部构成物质的所有分子的动能和势能的总和。其动能主要跟分子的运动情况有关，势能主要跟分子之间的相互作用情况有关。初中物理教科书[1]在研究“物体内能的改变”这个问题时，通过实例和实验说明了：热传递可以改变物体的内能，做功也可以改变物体的内能。为此，教科书设计了“空气被压缩时内能增大”的演示实验。现行初中物理学科配套的“空气压缩引火仪”在实验中存在成功率低等不足，我们进行了较大的改进，提高了效益。

一、初中物理教科书的实验设计

初中物理教科书的实验设计是：“在一个配有活塞的厚玻璃筒里放一小团硝化棉，把活塞迅速压下去，观察发生的现象。”如图1所示。实验中所需要的硝化棉通常由仪器厂家配送，数量不多，几次实验后就使用完毕，经常断货，导致实验不得不另外寻找其他的可燃物代替。

二、现行“空气压缩引火仪”存在的不足

现行“空气压缩引火仪”主要由底座、筒身、筒盖、压缩杆、密封胶圈、手柄等部件构成，其主要部件的高度与大小如图2所示。其存在的主要不足如下。

1.手柄的不足

圆盖形塑料手柄的上面稍微突出，直径大约4cm，通常是用掌根或者掌心来按压的，如图3所示。由于比较光滑，不好握拿用力，不管是用掌心或者掌根来按压都容易打滑不着力。同时，手柄与筒盖之间相距太近，手指很容易碰到筒盖而受伤。

2.底座的不足

圆形塑料底座的直径大约6.5cm，由于底面积小，比较硬而光滑，与桌面的摩擦力比较小，在实验中很容易滑倒，需要用手掌或者拇指、食指、中指等一起来按压底座才能保持稳定，如图3所示。

3.筒身的不足

筒身的总高度大约11cm左右，筒身有些短、内径小，筒内空气量少，导致闪燃时间极短，学生不容易观察到闪燃的现象。同时，内筒的底部通常就靠近底座上，往往被按压底座的手指所遮挡，导致许多学生不能观察到内筒底部闪燃的现象，实验效果不好。

4.压缩杆的不足

压缩杆通常用不锈钢做成，用密封胶圈封住的底部有平底和锥体两种，如图4所示。由于金属具有良好的传热性，压缩杆的金属底直接与被压缩的空气接触，导致被压缩空气增加内能产生的热量被压缩杆的金属迅速传递出去而使温度达不到可燃物的着火点，不能让可燃物燃烧。为了让温度升高达到可燃物的着火点而使其燃烧，只能使用更大的力量让压缩杆的底部直接与筒身的内底撞击以产生更多的热量来提高温度。但是，这样的效果也并不好，用力太猛还容易造成筒身底部的破裂和折断，如图5所示。

三、仪器改进的思路

针对现行配送“空气压缩引火仪”存在的问题，我们的改进思路是：增加底座的宽度和高度，提高仪器的稳定性，防止实验现象被遮挡，提高实验现象的观察度；将圆盖形手柄改成长条型手柄，方便握拿、用力；增加筒身的长度和底部高度，以增加筒内空气量，延长燃烧时间，抬高可燃物燃烧位置，方便观察实验现象；将压缩杆底部直接插入胶塞里，用胶塞代替胶圈进行密封，防止金属与被压缩空气接触，减少热传递对内能的消耗，确保被压缩空气的温度维持一定的高度，以达到可燃物的着火点。

四、“高效空气压缩引火仪”制作

1.条形手柄制作

锯一段粗细适中、长约12cm的木棒，在中间位置钻一个孔，装入螺母并用502胶水固定，将金属压缩杆旋入即可。

2.防滑高宽底座制作

取一块已经打磨光滑、规格为11×7×5cm的长方体木块，在上面尽量靠一端凿一个凹槽，把报废“引火仪”塑料底座放进去，并用502胶水固定好，木块另一端简单切割、打磨、修饰，让手握住按压时感觉方便舒适，在木块底部粘附一块防滑胶垫即完成。

3.厚底加长筒身制作

在网上选购厚底型“引火仪”2台，把其中一只筒身开口部位的螺旋部分去掉，使用下半部分；另一只取筒身开口部位的螺旋部分以下大约4.2cm，分别打磨平整，把两筒粘接牢固，筒身长度大约为15cm，筒身增高了，内筒空气容量增加了大约三分之一。

4.带胶塞压缩杆制作

取一根直径约0.5cm，长约18cm的金属杆，一端做成螺丝状，另一端打磨成直径约2mm、长7mm的圆锥体。取000号胶塞的大头在中间凿一个小圆锥洞，在洞内和大头部注入焊接剂胶水，把金属杆的圆锥体插入胶塞洞内，待胶水凝固后对胶塞进行打磨，直至推拉压缩杆感到轻松不费力即可。胶塞的长度要保持1.2cm左右，再在胶塞小头的中间部位切开一个深约6mm的切口夹缝，用来装夹可燃物即可，如图6所示。把各部件连接组装就得到了“高效空气压缩引火仪”，如图7所示。“高效空气压缩引火仪”与常规“空气压缩引火仪”的对比，如图8所示。

五、实验方法与效果

1.实验方法

用少量凡士林涂在压缩杆的胶塞上，伸进筒身内上下旋转推拉，保持润滑使压缩杆容易推拉滑动，使筒身内部洁净干燥。可以用一只手握住手柄，另一只手护住底座，垂直向下推压压缩杆；也可以将底座的按压端朝向自己，双手握住手柄，垂直向下推压压缩杆，如图9所示。把干燥的可燃物垂直夹在压缩杆胶塞的切口夹缝上，将压缩杆的胶塞放进筒口，旋转筒盖盖紧，握住手柄，护住底座，用力垂直向下迅速下压压缩杆。

2.实验结果

可以看到：可燃物在筒身下面内部燃烧起来，发出明亮的光芒，筒身都被照亮了，如图10所示。（1）推力高效。即不需要使用很大的力量来推动，145cm左右的小女生同样能够很轻松地完成实验，如图9所示。（2）可燃物取材高效。除了教科书推荐的硝化棉，我们采用许多干燥易燃的常见物品，如废旧报纸、A4纸、餐巾纸、棉布、脱脂棉、薄杉木片、羽毛、头发、保鲜膜等进行实验效果都很好，这样可燃物就不局限于难得的硝化棉而多样化了，取材范围拓宽了，取材效率提高了。部分易燃物实验前后效果对比，如图11所示。（3）实验现象观察范围高效。底座与筒身底部的同时增高，使可燃物燃烧位置抬高大约5cm，又没有被遮挡，有效提高了实验现象的观察范围。（4）实验成功率高。橡胶塞减少了被压缩空气因金属传热而导致的内能消耗，提高了被压缩空气的温度，使可燃物容易被点燃；筒内空气量增加，延长了燃烧时间，从而提高了实验的成功率。（5）安全系数高。增加底座面积和使用防滑胶垫，能够防止仪器滑倒；圆滑手柄改成了圆柱体，除了方便握拿用力，也防止了滑脱；同时，使用力量减少，可以避免因实验造成伤害的安全事故。（6）仪器使用效益高。可燃物能够就地取材而不怕消耗；胶塞的使用和推力减小，防止了压缩杆对筒身底部的碰撞损坏，延长了仪器使用时间；同时安全系数提高了，可以放心让学生使用仪器在课外进行探究活动实验，培养学生科学探究精神。改进后的“高效空气压缩引火仪”具有新颖性和高效性等特点，使用它能够提高相关实验的教学效益，已经申请了专利，进行知识产权的保护。

参考文献

[1]彭前程.义务教育教科书·物理·九年级·全一册[M].北京：人民教育出版社，2013：7-9.

作者:杨光远 潘国荣 单位:贵州省雷山县第三中学