國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

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火龍捲

如何將小火焰轉變成巨大的火龍捲呢?

注意:本實驗務必有師長陪同,小朋友不可自行操作!同時請準備濕抹布或滅火器備用。

※器材:一公升量筒(耐熱玻璃材質)、燃燒皿、酒精、食鹽、耐熱手套、滅火器

※操作過程與現象

版主多年前就看過將小火焰變成火龍捲的實驗,實驗使用一個有孔洞的金屬圓形桶子,中央擺放燃燒的火焰,快速旋轉桶子之後,火焰不僅變大而且形成龍捲風的形狀。這個實驗要旋轉桶子,除了比較麻煩,裝火焰的裝置也可能被甩出桶子,危險性較高。

本實驗的裝置更簡便,不必旋轉的裝置,危險性相對較低。實驗裝置與方法如下:

1.準備一公升的量筒(耐熱玻璃材質),請玻璃師傅切割底座後再對切,成為對半的二片半圓形玻璃片,如圖一。

2.取一燃燒皿(或蒸發皿),直徑必須小於玻璃管的直徑,再裝入少量酒精以及少量食鹽,放在耐熱板上面,點火燃燒,然後將二片玻璃管圍住火焰,如圖二。注意:二片玻璃片要稍微錯開,形成縫隙(圖二中央的上面與下面),以便空氣可以流通。

實驗結果可以發現,只要將玻璃管圈住火焰,原本小小的火焰(圖三),就會轉變成很大的火舌,而且火焰如同麻花捲在一起(圖四),如果將玻璃管拿開,火焰又馬上變小喔!請留意如果燃燒皿太小,效果會比較不明顯。

 

觀賞實驗過程(10.1M) 

※原理

本實驗的原理主要是「空氣對流」。如圖五,玻璃管圍住了火焰,但是有二道縫隙,讓空氣可以由縫隙流入,形成螺旋狀的氣流(藍色箭頭)。當火焰燃燒產生的熱空氣上升(圖六紅色箭頭),空氣可以由玻璃管縫隙流入補充,使得玻璃管內的空氣一邊旋轉一邊上升,造成火龍捲的現象。另一方面,由於火焰被侷限在玻璃管內,熱量往四周散開的程度較少,玻璃管的內部與外圍的溫差增加,空氣對流也就越快,因此使得火焰更為旺盛。

 

※叮嚀的話

1.由於本實驗危險性較高,建議不要讓全班進行操作,而是由教師演示即可,並請準備濕抹布、滅火器,以備不時之需。

2.本實驗操作簡便,但是缺點是:二片玻璃片的製作比較麻煩,必須請玻璃師傅切割。自行切割玻璃過於危險,版主不建議自行製作。

3.如果以薄的金屬片(例如鋁片)代替玻璃管,可以自行切割再定形,但缺點是金屬片不透明,只能由上方觀察火焰。

4.酒精的火焰為淡藍色,不是很明顯,加了少量的食鹽,可以使焰色呈現黃色,有利於觀察。

5.本實驗由教師演示之後,可以發問以下問題讓學生討論或操作:(1)為什麼火焰在玻璃管內形成火龍捲,而且火焰變大?(2)如果裝酒精的燃燒皿中,不放入食鹽,而是放入一些氯化銅,火焰顏色有什麼變化?(註:焰色反應,適合高中以上學生)。(3)可以配合「酒精膏的製作」,讓學生製作酒精膏之後,使用於本實驗。

※參考資料

1. Proceedings of the National Academy of Sciences- From fire whirls to blue whirls and combustion with reduced pollution. http://www.pnas.org/content/113/34/9457.full

2.YouTube影片:

(1) How to Make a Fire Tornado: https://www.youtube.com/watch?v=3tZF6-i8aDc

(2) 科學實驗:火龍捲+焰色反應: https://www.youtube.com/watch?v=hs5xeOUI50A

(3) Best Fire Tornado - DIY - no moving parts!

https://www.youtube.com/watch?v=1BxQd6AGYiI