对蜡烛失重燃烧的探究

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1、对蜡烛失重燃烧的探究北京师范大学（100875）魏锐云南昆明市第一中学（650031）黄婷北京101中学（100091）杨晶晶在蜡烛燃烧的探究活动中，许多教师会留给学生一个有趣的问题：“蜡烛在太空中能否燃烧？如果能，会如何燃烧？”这一问题存在很多争论，已有多篇文章探讨蜡烛在微重力条件下能或不能燃烧的原因。本文则通过分析已有文章及一些教师所提出的预测蜡烛能否燃烧的思路，并引用相关的实验证据，澄清这一有趣的问题。1如何做出猜想与假设“微重力状态下蜡烛能否燃烧、如何燃烧”这个问题，能够很好地激发学生的探究热情。那么，对于这个问题该如何进行分析和预测呢？分析的思

2、路和切入点如下。1.1从对流的角度进行分析蜡烛在地球上燃烧时，由于气体的对流作用，氧气能够很好地与反应物混合，因此蜡烛可以稳定燃烧，并形成拉长的火焰。在失重条件下，空气不再受到重力。蜡烛燃烧时，热空气不能上升，冷空气也无法下降，蜡烛周围被燃烧产生的热气体包围，因而反应物不能得到氧气的补充，很快会熄灭。1.2从扩散的角度进行分析地球上，有对流存在，可加速蜡烛的燃烧。在失重状态下，尽管没有对流，但气体由高浓度向低浓度的扩散应该依然存在。燃烧产物CO2等向环境中扩散，环境中的O2向反应物中扩散。依靠扩散机制，蜡烛也有可能燃烧。如果蜡烛在微重力状态下仅靠扩散可以

3、持续燃烧，则火焰应该是球形的。也有观点认为，单独的扩散运动是低效的，不足以维持蜡烛的燃烧。1.3从反应引发的角度进行分析反应的发生都需要跨过一定的能垒（活化能），这就是为什么蜡烛放置在空气中不会自动燃烧的原因。只有用火柴点燃，才能引发发应的发生。那么，为什么蜡烛只需要点燃一次，就能够持续燃烧下去呢？是因为该反应放出的热量可以继续引发后续的反应不断进行。如果在失重条件下，蜡烛被点燃，仅通过扩散燃烧的效率，必然没有地球上借助对流燃烧的效率高。所以蜡烛有可能持续地缓慢燃烧，也有可能由于扩散燃烧产生的热不足以引发后续反应的发生而无法持续燃烧。整合以上三个角度的讨

4、论，对于蜡烛失重燃烧的预测可以出现两种可能：一是可以通过扩散燃烧形成球形火焰，但迅速熄灭；二是可以通过扩散燃烧形成持续的火焰，但不如在正常重力条件下燃烧的剧烈。2如何开展实验研究2.1来自美国航空航天局（NASA）的研究1992年，哥伦比亚号航天飞机在执行STS-50任务中，进行了微重力实验（UnitedStatesMicrogravityLaboratory-I，USML-1），此次微重力实验中包含蜡烛微重力燃烧实验（CandleFlamesinMicrogravity，CFM-1），如图1所示。该实验的目的是为了检验带芯火焰（蜡烛）是否可以在纯扩散或

5、极其微弱的对流环境中燃烧，研究在这一条件下燃烧速率、火焰形状、颜色，以及研究两个靠得很近的扩散火焰之间的相互影响等。航天员点燃了10根单蜡烛，实验中蜡烛已经表现出在微重力状态下燃烧的基本特征（此前，在NASA的GlennResearchCenter的落体时间为5.2s的落塔，及日本的JAMIC的10s落塔中均进行过微重力燃烧实验）。除了一根蜡烛燃烧了105s熄灭外，其余的蜡烛在40~60s会熄灭。在本次实验中，蜡烛并没有燃烧完全，科学家推测是由于盒子中的氧气被消耗而熄灭。如果空间足够大，氧气充足，可以使蜡烛燃烧完全。1996年，NASA重新设计并在俄罗斯

6、和平号空间站（MIR）上实施了实验CFMMIR，宇航员点燃了近80根蜡烛，再次进行了蜡烛微重力燃烧实验。由于提供了充足的空气，本次实验所有蜡烛稳定燃烧的时间均长于CFM-1实验。CFMMIR实验中蜡烛燃烧的时间从100s到45m不等。烛芯越粗，燃烧时间越短，反之时间越长。CFMMIR实验的装置如图2所示，该实验过程的视频可在NASA网站上下载。2.2来自中国科学院的研究杜文峰等在22m的落塔中，通过自由落体获得了2.8s的微重力实验时间。实验舱装载激光差分干涉仪、蜡烛、自动点火器、两台摄像机等装置。实验用蜡烛是市场购买的质量较好的产品。蜡烛芯的直径约2m

7、m，蜡烛直径约10mm。实验开始时，首先在地面正常重力状态下利用自动点火器点燃蜡烛，大约30s后，实验装置进入微重力状态，此时两台摄像机分别记录微重力状态下蜡烛火焰的讯息，以及蜡烛火焰由正常重力状态过渡到微重力状态的动态讯息。并由此发表了一系列成果。2.3来自哈尔滨工程大学的研究毕思思等为了在大学物理教学中使学生能够深入研究并掌握微重力环境下的现象与规律，根据落塔实验原理，搭建了短时微重力实验系统，该实验系统可以提供0.6s的微重力时间。借助视频采集系统，能够实现视频的同步传输与视频信息的采集，从而可以对所采集的信息进行观察与分析，如图3所示。实验中能够

8、比较明显地观察到点燃的蜡烛火焰形状发生的变化以及蜡烛火焰颜色变蓝等现象。3有哪些