探究火焰在带电金属板间跳跃的原因

季　洁，刘　文，张锡娟

(扬州大学 物理科学与技术学院，江苏 扬州 225000)



探究火焰在带电金属板间跳跃的原因

季洁，刘文，张锡娟

(扬州大学 物理科学与技术学院，江苏 扬州 225000)

以IYPT竞赛题中的“跳跃的火焰”为例，针对中学生的物理知识背景，分析了将该类赛题作为实验探究课题的可行性，给出了具体分析探究课题的方法，同时，结合例题示范了如何引导中学生在课题探究中发现问题并具体解决问题.

实验探究；指导方法；IYPT

国际青年物理学家锦标赛(International Young Physicist’s Tournament, IYPT)是一个高层次的物理竞赛，每年的赛题都是完全开放的，其开放性不仅在于没有特定的答案，需要学生们利用与问题相关的、不同领域的物理知识自主设计实验方案，还在于这些题目除了物理学者们以外，中学生、本科生都可以进行探究，只是探究的深度会有所不同. 因此，笔者考虑将这些题目引入到中学物理教育开展探究性课题学习. 本文以2011年IYPT的赛题“跳跃的火焰”为课题，进行了实验设计与探究，并给出了该课题在中学进行探究的一些建议.

1　题目解读

“跳跃的火焰”选自第24届IYPT竞赛试题第3题，题目要求：“把火焰(比如本生灯发出的火焰)放在2个平行带电的金属板间，研究火焰的运动情况. ”根据题目给出的信息，“火焰”和“平行带电金属板”是本实验的关键，教师在指导学生探究时要围绕这2个关键引导学生进行思考.

1)“平行带电金属板”给出的暗示

学生在学习过静电场知识后，应该会对“平行带电金属板”有一定的认知. 教师可以帮助学生回忆相关知识，引导学生得出这样的结论：“平行带电金属板间能够产生匀强电场，而火焰的跳跃可能是这个电场引起的. ”为此，学生自然会进一步思考“为什么火焰会受电场的影响？火焰是什么？”

2)火焰是什么？

关于火焰是什么有很多种说法，但普遍承认的是“火焰是能够加热空气并使之电离的电离剂”和“火焰是等离子体”这2种说法. 教师可以在课题探究前对该问题进行简单说明，在学生对空气电离、电离剂和等离子体有初步认识后，让学生根据“火焰受电场影响”这个结论，通过查阅资料，总结出自己对火焰的界定. 通过这个环节既可以为接下来的实验做理论铺垫，也可以由此拓展学生的知识面.

2　设计实验与探究

2.1影响因素分析

不同种类的火焰和金属板间产生的不同的电场强度都可能会影响火焰的跳跃. 在这个环节中，教师要引导学生分析出可能影响以上2个条件的主要因素. 针对火焰的种类，教师应提示学生灵活运用化学、热学等知识，分析其影响因素. 实际上燃烧材料不同，燃烧火焰不同，甚至相同材料的燃烧火焰都是不同的，而中学实验室条件有限，只要求学生用同一根蜡烛进行实验即可. 与电场相关的内容，需要学生结合静电场及平板电容器等知识，经分析大致可以猜测火焰在金属板间的跳跃与金属板的材质、金属板间所加电压以及火焰距金属板的距离有关.

2.2实验设计

尽管中学物理实验中大多都提及“控制变量法”，但学生可能并未完全掌握，因此实验的初步设计可由学生完成，让他们在设计实验的过程中掌握控制变量法. 教师结合可行性和科学性对实验设计进行指导与完善. 根据学生对实验影响因素的分析，可选取以下实验仪器：材质分别为铁、黄铜和铝的3组直径R=20 cm、厚度D=1 mm的平行金属板,直流稳压电源(最大值30 V)，行输出变压器(高压包)，电压表(量程100 kV). 利用以上仪器进行如下实验探究：

1)在板间距离及金属板材质不变的情况下，改变两极板间所施电压；

2)在板间电压及金属板材质不变的情况下，改变两极板间的距离；

3)在板间距离及板间电压不变的情况下，改变金属板的材质.

2.3实验数据的测量

实验中容易观察到：火焰在电场中发生偏转并在偏转角达到最大值后稳定. 偏转角的大小与以下2个因素有关：

1)金属板间所加电压越大，偏转角越大；

2)金属板间距离越小，偏转角越大.

在仔细观察实验现象的基础上，对该实验进行深入探究. 此时需要教师和学生共同讨论并设计出测量火焰偏转角的方法. 本实验通过录制视频并从中截取当火焰偏转并稳定时的画面，对画面中的火焰进行测量，方法如图1所示.

图1　火焰偏转角的测量

3　结果分析

3.1对火焰是什么的分析

针对实验中观察到的现象，教师可设置系列问题，逐步引导学生得出结论.

问题1：为什么火焰会在电场中偏转？

这个问题要求学生首先了解：火焰的化学反应将产生足够的热量使温度达到使空气分子电离的条件. 电离：空气⟹正离子⊕+自由电子e-.

问题2：为什么火焰总是偏向电势较低的金属板？

需要注意的是，火焰电离成正离子和电子后，正负粒子的总量相等，但由于电子的质量远远小于正离子质量，电子将获得较大的动能，更容易脱离蜡烛火焰，由于火焰失去自由电子，火焰中正离子的浓度比自由电子的浓度大，火焰表现出带正电的属性，火焰应该偏向电势较低的金属板[1].

通过设置类似问题，能让学生更有逻辑地分析实验原理，了解关于空气电离条件方面的知识.

3.2对火焰受力分析

由于火焰形状不规则且具有流动性，中学生对其进行受力分析难度较大. 如果学生有兴趣并且还有余力，可以给学生补充有关导数与积分、动量定理、建模、运动微分方程等知识，但补充的知识不能超出学生所接受范围过多，应在中学重难点知识的基础上稍加进阶.

3.3火焰的跳跃

实验中发现：板间距离固定时，随着外加电压的增加，蜡烛火焰开始发生偏转，而当电压增加至某一值时，火焰会开始做振荡运动. 这是实验中值得思考的问题. 结合电风吹灭蜡烛火焰的实验[2]，我们猜想：

1)由于金属板并非绝对光滑，当外加电压足够时，表面的突起会造成尖端放电，电风会吹动蜡烛左右晃动.

2)由实验可知板间距离一定时，电压越大，蜡烛火焰偏转角越大. 当火焰偏转到与金属板接触时，会放电，火焰失去电性不再偏转. 重复这样的过程便会引起火焰振荡运动.

基于这样2种或者学生提出的其他合理猜想，学生可以进行新一轮的实验探究.

4　结束语

教师在指导学生进行探究性课题学习时，角色更加复杂，当学生分析困难时，是引导学生向合理的方向进行假设猜想的引路人；当学生的知识不够用时，是传授学生适当补充知识的教师；当学生进行实验时，也是指导学生正确使用仪器的实验员. 只有教师更好地融合这些角色后，才能更好地指导学生进行课题探究. 在中学物理教育中可以适当选用类似的探究课题，通过亲身经历这样的探究过程可以增强物理实验教学的趣味性，促进学生从不同角度看问题，提高学生实验设计的创造性.

[1]刘贵兴. 蜡烛火焰的静电实验[J]. 物理实验,1996,16(3):142-143.

[2]任连香，楚雪梅. 关于电风灭焰原理讨论[J]. 黑龙江大学(自然科学报)，1996,13(3)：69-72.

[责任编辑：尹冬梅]

Why flame jumps between metal plates

JI Jie， LIU Wen， ZHANG Xi-juan

(School of Physics and Technology， Yangzhou University， Yangzhou 225000, China)

“Bouncing flame”, which is one of the problems for IYPT, was discussed in this paper. In view of the physical knowledge of middle school students, the feasibility of taking this kind of problems as experimental research subject was analyzed, and specific methods to analyze the project were presented. With examples, the ways that guided middle school students to find and solve problems were demonstrated.

experimental research; instructional method; IYPT

2016-05-07

中国教育学会物理教学专业委员会立项课题(No.YZUJX2013-2A);扬州大学教学重点课题(No.YZUJX2013-2A)

季洁(1992-)，女，江苏太仓人，扬州大学物理科学与技术学院2015级硕士研究生，研究方向为物理学科教学.

指导教师：张锡娟(1958-)，女，江苏扬州人，扬州大学物理科学与技术学院教授，学士，从事物理学科教学工作.

G633.7

A

1005-4642(2016)09-0044-03