利用传感器对粉尘爆炸实验的改进设计

周文荣 倪志凤

摘要：以教材中粉尘爆炸实验装置为模型，分析了教材装置的地位和不足，调研并梳理了一线教师对此实验改进的方向，找到了选择透明可重复使用的反应容器、容器外喷洒粉尘、数字技术融入实验等实验改进的空间。在此基础上，介绍了利用传感器对粉尘爆炸实验的改进设计，从实验现象、操作安全、定量分析、器外扬尘、点火方式、密封方式等方面分析了装置设计的优点，旨在推动实验创新的实践与探索。

关键词：粉尘爆炸;传感器;压力喷壶;有机玻璃;实验改进

文章编号：1008-0546（2020）03-0089-03

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2020.03.025

粉尘爆炸实验是沪教版教材九年级化学（教育部2012年审定）第四章第一节《完全燃烧与不完全燃烧》中的学习内容，教材设置的学习要求是“观察与思考”。因此，成功的实验演示、明显的实验现象是学生分析与思考的关键。

一、实验改进的缘起

1.教材中的实验装置

教材中粉尘爆炸实验装置（见图1）[1]一方面能很好地帮助学生认识爆炸现象、体悟爆炸原理;另一方面从容器的密封、空气的鼓人、点火的方式等角度為一线教师设计和改进粉尘爆炸实验建构了一个可供复制仿效、拓展研究的装置模型。

在学生学习过程中，图1装置对实验现象的观察和爆炸本质的理解还有一些可以进一步思考和改进之处：

（1）面粉覆盖了进气孔，使得吹人空气较困难，同时吹出的面粉分散不充分，实验现象没有预期的那种震撼，难以给学生留下深刻的印象。

（2）蜡烛固定较困难，位置偏塑料瓶壁，易使塑料瓶变形，不宜于重复使用。同时，蜡烛火焰较高，吹人空气的速度和力度不够时，面粉难以与火焰接触，降低了实验的成功率。

（3）实验过程中，学生不能定量感知到面粉发生爆炸时密闭容器内温度和气压发生的变化情况，难以真正认识面粉发生爆炸的本质原因。

2.一线教师对粉尘爆炸实验改进的文献调研与综述

为了更好地实现实验演示的最佳效果，促进学生对爆炸现象和原理的深刻认识，一线教师对粉尘爆炸实验的改进进行了深入而又细致的研究与实践。具体体现在以下四个方面：

（1）反应容器的改进

反应容器的改进一是使用色拉油瓶、矿泉水瓶、可乐雪碧瓶等透明的塑料瓶（如图）[2]、图3[3]装置），优点是取材容易、便于观察;二是使用油漆桶、易拉罐、奶粉桶、茶叶桶等金属罐，优点是可重复使用、耐高温。

（2）点火方式的改进

点火方式的改进主要集中在由原来的密封前点火改为密封后点火，常见的改进方式有使用电子点火枪（见图2）[4]、打火机（见图4）[5]、接电源的电阻丝（见图5）[6]以及电火花打点计时器[7]等。

（3）扬尘方式的改进

粉尘爆炸实验的扬尘方式大多采用的是鼓气扬尘，一线教师的改进主要集中在对鼓气装置的改进。常见的方式是在反应容器和放粉尘器皿的侧面或底部开孔，用乳胶管连接后通过针筒（见图6）[8]、洗耳球（见图5）[9]、玩具电风扇（见图4）[10]、打气筒（见图3）[11]脚踩充气筒[12]等工具鼓人空气。

（4）密封方式的改进

容器密封的吻合程度决定着实验的效果，常见的密封方式有盖式和塞式两种。教师的改进主要是更换盖式密封时覆盖的材料，常见的是将教材装置图中的硬纸板换成A4纸（见图5）[13]、橡胶皮（见图4）[14]、塑料等，个别教师还将覆盖物的位置由容器的顶部改到侧面（见图3）[15]。

3.实验改进的发展空间

一线教师的实验改进丰富了教材中粉尘爆炸装置模型的形式和内涵，提供了可供仿效和借鉴的生动实例，拓展了师生的视野。同时，也给实验的进一步改进留下了一定的空间。

（1）透明的塑料瓶作为反应容器主要缺点是不耐高温，金属罐作为反应容器主要缺点是加工困难且不透明，不便观察现象。选择透明、耐高温、可重复使用的反应容器是实验改进的方向。

（2）大部分改进实验采用的是容器内鼓气扬尘，事先要在大容器内的小容器里放粉尘，操作不方便，鼓气后粉尘在容器内弥散空间不充分，分布不均匀。考虑从容器外喷洒粉尘是实验改进的思路。

（3）已有的研究主要集中在仪器的选择和装置的改进上，数字技术在该实验的改进中应用较少。随着技术的发展，尝试将传统实验与现代技术有机结合，通过数据和曲线的变化来理解爆炸的本质可以成为实验改进的视角。

二、利用传感器对粉尘爆炸实验的改进设计

1.实验仪器与药品

实验仪器：自制透明的有机玻璃容器、橡皮塞、细线、压力喷壶、温度传感器、压强传感器、数据采集器、电脑、酒精灯、镊子、火柴。

实验药品：玉米淀粉、棉花、酒精。

2.实验装置

利用传感器对粉尘爆炸实验的改进设计的装置见图7。

3.操作要点

实验1

（1）将玉米淀粉在阳光下晒干或在烘箱里烘干后装入压力喷壶的喷枪中（干燥的主要目的是防止结块，使淀粉容易在空气中分散均匀）。

（2）按图7所示连接好装置，在有机玻璃容器与传感器、压力喷壶的喷枪连接处用热熔胶密封，保证容器的气密性良好。

（3）按压压力喷壶上端的打气按钮，给压力喷壶内充满空气，保证有足够的压强将面粉喷洒出去。

（4）设置基于时间的采集数据模式，点击电脑屏幕上的“开始采集”按钮，点燃蘸有酒精的棉花团，放人容器内，迅速塞好橡皮塞。

（5）按压压力喷壶的喷射按钮向容器内喷入玉米淀粉。

实验2

压力喷壶的喷枪中不装入玉米淀粉，取等量的酒精重复实验1的（2）一（5）操作步骤，仅喷人空气做对照实验。

4.实验现象与结论

实验1可以看到粉尘迅速燃烧，形成火团，容器上的橡皮塞被直线弹出，有部分火苗窜出容器孑L，同时可以听到巨大的爆炸声，温度传感器和压强传感器测得的实验结果如图8所示。实验2温度传感器和压强传感器测得的实验结果如图9所示。

实验1粉尘的爆炸，从图8可以看出，温度从150C逐渐升高到39℃，粉尘爆炸时压强迅速增大到128kpa，最后由于橡皮塞弹出压强恢复为大气压。实验2仅有酒精的燃烧，从图9可以看出，温度从15℃逐渐升高到28℃，由于空气的喷人，压强增大到116kpa，随着氧气的消耗压强又逐渐减小，又因为温度还在升高，压强又逐渐增大，最后趋于不变。通过图8和图9温度变化和压强变化的比较可以看出，在密闭空间里，粉尘的急剧燃烧使得短时间内聚集大量的热能，气体迅速膨胀，引起爆炸。

5.实验改进的优点分析

（1）实验现象震撼，操作安全可靠

实验的反应容器使用的是容器壁厚度6mm，容器盖和容器底部厚度lOmm高透明聚甲基丙烯酸甲酯（俗称有机玻璃）材料制作的，透光性较好，透光率可达到96%，爆炸时可以清楚地看到熊熊燃烧的火团，再辅以迅速弹出的橡皮塞和听到的爆炸声，实验效果非常震撼。

有机玻璃的耐冲击性是普通玻璃产品的200倍以上，本实验爆炸时产生的能量和压强不会使有机玻璃破裂，实验比较安全且容器可反复使用。另外，发生爆炸时橡皮塞会垂直向上往空中弹出，不会对周围的教师和学生造成伤害，比较安全。为进一步保证橡皮塞不弹到其他地方，还可在橡皮塞上拴一根细线，实验时另一端固定实验桌或反应容器上。

（2）定量对比分析，体现爆炸本质

实验利用传感器采集数据绘制曲线，让学生能直观地观察到爆炸过程中容器内部压强和温度的变化情况，让学生体悟和理解了化学图像的动态形成过程，促进了实验的改进从传统走向现代。同时，通過与仅燃烧酒精对照实验的比较分析，跳出简单的老师讲解或机械的课本阅读，从定量的角度让学生真切地感受到温度和压强的急剧变化，从而真正理解爆炸的本质。

（3）器外喷洒扬尘，混合均匀充分

实验利用压力喷壶从容器外进行喷洒扬尘，减少了传统的在大容器里安放装粉尘的小器皿，实验装置简单，操作简便。使用的玉米淀粉的颗粒比常见的面粉、生粉等粉尘的颗粒更细小，通过压力喷壶将玉米淀粉以雾状形式喷出，悬浮在空气中，与空气混合较均匀，增大了在密闭空间内粉尘的浓度，从而大大提高了实验的成功率。

（4）点火简单易行，密封效果明显

密封后点火的点火装置制作比较复杂，而且高压产生的电火花相对不安全[16]。本实验采用了密封前点火，即先点火，再密封、扬尘，点火方式简单易行。实验的火源将教材中的蜡烛改成了酒精，因为酒精的含碳量小于蜡烛，相同时间内消耗的氧气少，燃烧的时间长，实验操作者有足够的时间在火焰熄灭之前进行喷洒粉尘。

实验采用了橡皮塞密封容器，橡胶的弹性使得容器与橡皮塞吻合度较好，不会因为鼓人空气时被掀起，同时，塞式密封使爆炸时气体在出口处集聚，使橡皮塞弹射更高，实验效果明显。

参考文献

[1]王祖浩，王磊.义务教育课程标准实验教科书·化学（上册）[M].上海：上海教育出版社，2012：95

[2] 朱清勇，孙鹏.粉尘爆炸实验改进两则[J].化学教学，2018，4：79

[3]蔡群，王世祥，初中化学“粉尘爆炸”实验的创新设计[J].实验教学与仪器，2016，S1：125

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[5]王发应，邓明非，周凤顶，王英.粉尘爆炸实验的创新设计[J].化学教学，2017，2：59

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[10]王发应，邓明非，周凤顶，王英.粉尘爆炸实验的创新设计[J].化学教学，2017，2：59

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[16]陈国清.粉尘爆炸实验引爆方式的额改进[J].实验方法与实验设计，2005，11：20