“上浮的檸檬片”
——針對(duì)英國(guó)物理學(xué)會(huì)網(wǎng)站實(shí)驗(yàn)分析的質(zhì)疑

李耀俊 任樹(shù)榆 楊 杰

(1. 廣西民族大學(xué)理學(xué)院物理系,廣西 南寧 530006； 2. 南寧市第二中學(xué),廣西 南寧 530004)

英國(guó)物理學(xué)會(huì)(IOP—Institute of Physics)是國(guó)際著名學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu),在全世界注冊(cè)超過(guò)36000名會(huì)員,致力于促進(jìn)物理學(xué)發(fā)展和在全世界的傳播．為了更好地激發(fā)公眾,尤其是青少年對(duì)物理學(xué)的認(rèn)知興趣, IOP網(wǎng)站設(shè)置“走進(jìn)物理世界”(Physics to Go)欄目,設(shè)計(jì)20個(gè)趣味探究實(shí)驗(yàn),其中第5個(gè)項(xiàng)目是“上浮的檸檬片”, 器材包括切好的檸檬片,4根火柴,大號(hào)品脫玻璃杯,煙灰缸,水．

IOP網(wǎng)站詳細(xì)說(shuō)明探究活動(dòng)過(guò)程,[1]實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖1所示．

(1) 把水倒入煙灰缸,水深大約1 cm．

(2) 把3支火柴插入檸檬片,形成三角形金字塔結(jié)構(gòu),火柴頭聚攏在金字塔頂端．

(3) 把插有火柴的檸檬片小心放入煙灰缸中央,使其漂浮在水面．

(4) 用剩余火柴點(diǎn)燃檸檬片上的火柴頭．

(5) 用品脫玻璃杯迅速罩住檸檬片,倒扣在煙灰缸的水中．

(6) 火柴熄滅,檸檬片神奇地在玻璃杯內(nèi)上?。?/p>

圖1 上浮檸檬片實(shí)驗(yàn)

以下是IOP網(wǎng)站給出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的說(shuō)明與解釋.

(1) 倒扣玻璃杯內(nèi)的空氣經(jīng)歷了受熱膨脹和冷卻收縮等不同過(guò)程,導(dǎo)致玻璃杯內(nèi)的氣體壓強(qiáng)變化．點(diǎn)燃火柴燃燒,玻璃杯內(nèi)的氣體溫度升高,體積膨脹．當(dāng)玻璃杯內(nèi)所有的O2都消耗完畢,火柴熄滅,杯內(nèi)氣體溫度降低,體積縮小,煙灰缸里面的水被吸入玻璃杯內(nèi),檸檬片上?。?/p>

(2) 火柴燃燒改變了玻璃杯內(nèi)的氣體成分,氣體體積也發(fā)生變化．火柴燃燒消耗玻璃杯內(nèi)的O2,生成產(chǎn)物是CO2和H2O．水在常溫狀態(tài)下是液態(tài),玻璃杯內(nèi)的氣體體積減少,水被吸入玻璃杯內(nèi),檸檬片上浮．

作為國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu),IOP 網(wǎng)站設(shè)計(jì)這些物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,利用生活中常見(jiàn)的簡(jiǎn)單器材,探究生動(dòng)有趣的物理現(xiàn)象,給出淺顯通俗的科學(xué)解釋,體現(xiàn)其應(yīng)有的社會(huì)責(zé)任與價(jià)值擔(dān)當(dāng)．

但是,IOP網(wǎng)站對(duì)于上浮檸檬片實(shí)驗(yàn)的解釋,存在一些不夠嚴(yán)密,甚至是錯(cuò)誤的說(shuō)法,容易誤導(dǎo)青少年對(duì)一些基本物理概念與物理理論的認(rèn)知．

(1) IOP 認(rèn)為“玻璃杯內(nèi)所有的O2消耗完畢,火柴熄滅”．

針對(duì)本次“上浮的檸檬片”探究活動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)環(huán)境,這個(gè)說(shuō)法是錯(cuò)誤的．燃燒是劇烈的氧化反應(yīng),影響燃燒的因素包括可燃物性質(zhì)、O2濃度、O2接觸面積．O2作為常用助燃劑,O2濃度不足,物體釋放的熱量不能支持燃燒．空氣中的易燃物,即使?jié)M足著火狀況,空氣含氧量低于16%不足以維持燃燒,含氧量低于15%就會(huì)熄滅．

Vitz利用氣相色譜分析,對(duì)紙片在密閉環(huán)境中的燃燒產(chǎn)物進(jìn)行氣體分析,發(fā)現(xiàn)只有56%的O2參與化學(xué)反應(yīng)．[2]相比較于火柴或蠟燭,紙片燃燒的接觸面積更大,反應(yīng)更為充分,尚且無(wú)法消耗全部的O2．通常的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中,火柴燃燒更不可能消耗全部O2．Brik做過(guò)一個(gè)趣味實(shí)驗(yàn),封閉容器內(nèi)的火焰熄滅后,仍然含有足夠的O2,可以保證一只小白鼠毫不困難呼吸．[3]針對(duì)“上浮的檸檬片”,較為合理的解釋是:在密閉環(huán)境中火柴燃燒,分為3個(gè)不同階段:O2濃度較高時(shí),火柴進(jìn)行完全燃燒,生成H2O和CO2;O2濃度降低,火柴進(jìn)行不完全燃燒,生成CO,有黑色煙灰上升到容器頂部;O2濃度小于一定值,火柴無(wú)法燃燒,最終熄滅．

(2) IOP認(rèn)為“火柴燃燒生成CO2和H2O,玻璃杯內(nèi)的氣體成分變化,氣體體積減少”．

這個(gè)說(shuō)法同樣經(jīng)不起嚴(yán)密的科學(xué)分析,也是錯(cuò)誤的．“上浮的檸檬片”和我們熟悉的蠟燭燃燒現(xiàn)象相似,將一支蠟燭置于水中,點(diǎn)燃后倒扣量筒,蠟燭熄滅,量筒內(nèi)水面上升．針對(duì)蠟燭燃燒的錯(cuò)誤說(shuō)法流傳久遠(yuǎn)——O2和C發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成CO2和H2O．由于空氣中的O2含量為21%,CO2溶解于水中,水面上升的高度約為量筒高度的20%．

2013年國(guó)際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽IYPT(International Young Physicist Tourment),設(shè)立的一個(gè)研究項(xiàng)目“水上升”:在裝有水的碟子中間垂直放置一根蠟燭,點(diǎn)燃蠟燭后罩上一個(gè)透明燒杯,探究并解釋發(fā)生的現(xiàn)象．[4]可見(jiàn),蠟燭燃燒問(wèn)題并非我們想象得那樣簡(jiǎn)單,一些錯(cuò)誤說(shuō)法更是根深蒂固,需要用科學(xué)實(shí)驗(yàn)及時(shí)糾正．

本文認(rèn)為,“上浮的檸檬片”無(wú)法保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)密的封閉環(huán)境,火柴燃燒時(shí),火柴頭周圍的熱空氣膨脹．用玻璃杯罩住檸檬片,部分熱氣體以氣泡的形式逃出玻璃杯,導(dǎo)致玻璃杯內(nèi)部的氣體減少,水位上升．雖然物理因素和化學(xué)因素都對(duì)蠟燭熄滅和水面上升有影響,但是與氣體體積變化有關(guān)的物理因素占據(jù)主導(dǎo)地位,化學(xué)反應(yīng)的影響因素很?。?/p>

圖2 密閉燃燒室

火柴的化學(xué)成分復(fù)雜,火柴頭主要含有KCl、MnO2、硫磺和玻璃粉等,火柴桿涂有少量的石蠟．蠟燭是固態(tài)碳?xì)浠衔?熔點(diǎn)約為60 ℃,為了確定物體燃燒前后的氣體變化及其影響因素,本文以蠟燭為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)新型的燃燒室,在嚴(yán)格密閉的環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn),如圖2所示．

圖3 蠟燭燈芯燃燒

傳統(tǒng)蠟燭多以棉芯為燈芯,燃燒過(guò)程中棉芯和蠟液會(huì)同時(shí)減少,不容易定量控制蠟燭的燃燒和熄滅時(shí)間．本裝置利用人工金屬燈芯取代棉芯,將一根直徑0.5 mm的注射器針頭截取1 cm,把針頭插入蠟燭內(nèi)部,用鎳鉻合金絲纏繞在金屬燈芯上,兩端與導(dǎo)線連接,將蠟燭固定位置后形成燃燒裝置．用大號(hào)透明塑料容器裝入適量的水,標(biāo)有刻度線的量筒倒扣在蠟燭上方,塑料容器底部鉆兩個(gè)小孔,將導(dǎo)線穿透容器,與蠟燭和外接電源構(gòu)成完整的電流回路,然后用熱熔膠密封小孔,防止水泄露．用軟管吸出量筒內(nèi)的部分空氣,使得量筒內(nèi)水面上升,構(gòu)成一個(gè)密封良好的燃燒室,有效防止氣體向外界逃逸．將電源電壓調(diào)節(jié)到30 V,鎳鉻合金絲通過(guò)電流而發(fā)熱,發(fā)出明亮的紅光．金屬燈芯底部的蠟燭受熱融化,毛細(xì)作用使得蠟液上升,到達(dá)針尖部位后燃燒而發(fā)出橘黃的火焰,如圖3所示．

本實(shí)驗(yàn)有如下幾個(gè)特點(diǎn).

(1) 切換電源開(kāi)關(guān),改變金屬燈芯的溫度,靈活控制蠟燭燃燒或者熄滅,確定蠟燭不同的燃燒時(shí)間,便于在完全燃燒、不完全燃燒等階段,探究量筒內(nèi)氣體的體積變化情況．

(2) 確保蠟燭燃燒時(shí)間足夠長(zhǎng),使得量筒內(nèi)部的絕大多數(shù)O2發(fā)生化學(xué)反應(yīng),探究理想燃燒條件下氣體的體積變化．

(3) 設(shè)置嚴(yán)密的水封,確保實(shí)驗(yàn)前后量筒與外界隔絕,避免氣體逃逸．

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果表明,無(wú)論蠟燭進(jìn)行完全燃燒還是不完全燃燒,量筒內(nèi)部氣體體積變化都很小,體積變化量不超過(guò)2%．