朱蕾蕾 熊舉峰

湖南師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 湖南長(zhǎng)沙 410000

打火機(jī)作為人類生活中的常用工具，其主要用途是取火，同時(shí)也可以用于炊事及其他。以前的打火機(jī)基本上都是火石鋼輪式的，用鋼輪和火石摩擦產(chǎn)生火花引燃?xì)怏w，隨著科技的發(fā)展，落后的火石鋼輪打火機(jī)已經(jīng)被淘汰了，現(xiàn)在基本上是壓電式、磁感應(yīng)式、電池式，其中，又以壓電式最為普及，本文主要介紹壓電式打火機(jī)所蘊(yùn)含的物理原理[1]。壓電式就是咱們平時(shí)用的帶有一個(gè)小“電打火”的打火機(jī)，按一下就能出火，打火機(jī)經(jīng)常用，那么火是怎么點(diǎn)燃的呢？

1 打火機(jī)的結(jié)構(gòu)及點(diǎn)火過程

圖1是市面上常見壓電打火機(jī)拆解后的示意圖，一個(gè)普通的打火機(jī)包括塑料外殼(燃料載體)、防風(fēng)帽(保護(hù)火焰和出火裝置)、按手(控制火焰產(chǎn)生和熄滅)、杠桿(帶動(dòng)噴氣嘴放氣)、壓電陶瓷打火器(導(dǎo)出電火花與燃料結(jié)合)、調(diào)火環(huán)(調(diào)節(jié)火焰大小及出氣量)、噴氣嘴(防止漏氣，配合調(diào)火環(huán)調(diào)節(jié)火焰高低)、無紡布海綿(調(diào)節(jié)火焰穩(wěn)定)、引流芯(引出燃料)。打火機(jī)的核心是壓電陶瓷打火器，它可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，按下打火機(jī)按鈕時(shí)，打火機(jī)內(nèi)部的蓄力彈簧開始蓄力，按壓到一定程度，塑料上殼的斜切面，就會(huì)把扣擊錘頭的纖維桿從卡槽內(nèi)推出，這時(shí)候蓄力彈簧推動(dòng)叩擊錘頭，撞向下方的壓電陶瓷，壓電陶瓷被撞擊壓縮后出現(xiàn)放電現(xiàn)象，被釋放的電通過高壓導(dǎo)線被傳到噴氣嘴附近，高壓導(dǎo)線和金屬的噴氣嘴構(gòu)成正負(fù)極，產(chǎn)生電弧，與此同時(shí)，噴氣嘴會(huì)被杠桿拉起產(chǎn)生丁烷，丁烷吸收空氣中的熱量后，會(huì)迅速汽化，遇到電弧，就會(huì)將電弧點(diǎn)燃。

2 打火機(jī)蘊(yùn)含的物理原理

2.1 壓電效應(yīng)

打火機(jī)的原理主要利用了壓電效應(yīng)，打火機(jī)內(nèi)部有壓電陶瓷元件，這個(gè)元件一端接上導(dǎo)線，引出到打火機(jī)的出氣口。在外界電場(chǎng)作用下，壓電陶瓷內(nèi)部的電荷中心發(fā)生相對(duì)位移極化。壓電陶瓷的內(nèi)部表面會(huì)出現(xiàn)符號(hào)相反的正負(fù)束縛電荷，外表面出現(xiàn)極性相反的自由電荷，如圖2，壓電材料受到擠壓出現(xiàn)電荷極化。受到外力作用時(shí)，自由電荷被內(nèi)部束縛電荷排斥走，這也就導(dǎo)致壓電陶瓷向外放電(外界按壓的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能)，按下的瞬間機(jī)械結(jié)構(gòu)帶動(dòng)了打火機(jī)的儲(chǔ)氣閥門開啟，壓電陶瓷放出約3000V以上高壓電擊穿空氣產(chǎn)生火花，丁烷氣體遇到火花而點(diǎn)燃。

壓電陶瓷本身是沒有電的，但是當(dāng)外力擠壓作用下，壓電陶瓷發(fā)生了形變，如圖3所示，它的內(nèi)部?jī)蓚?cè)就會(huì)出現(xiàn)正負(fù)電荷，表現(xiàn)出有電的狀態(tài)，這時(shí)按壓力產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。這被稱之為正壓電效應(yīng)。

逆壓電效應(yīng)與正壓電效應(yīng)相反。如圖4所示，給壓電陶瓷增加一個(gè)外電場(chǎng)，這個(gè)時(shí)候壓電元件就會(huì)產(chǎn)生形變。如果通入的是高頻交流電，元件就會(huì)出現(xiàn)反復(fù)的形變，也就是振動(dòng)。這就是逆壓電效應(yīng)，這是電能轉(zhuǎn)化為了機(jī)械能。

打火機(jī)的電子器打人發(fā)麻，這是什么原理呢？打火機(jī)壓電陶瓷產(chǎn)生的電壓在3000V以上，而且這種高壓可以將2mm左右的空氣擊穿。打火機(jī)利用金屬線頭以及氣孔噴嘴，瞬間將打火機(jī)內(nèi)的丁烷氣體燃燒。此外，壓電感應(yīng)所產(chǎn)生的電流僅僅只有0.01秒，極為短暫的傷害不會(huì)對(duì)人體造成較大痛處。因此，打火器給人的是觸電發(fā)麻的感覺，并沒有太大痛苦。

2.2 彈簧彈力

如圖5所示，打火機(jī)的擊錘兩端都有彈簧，向下壓壓柄，給彈簧施加壓力就會(huì)壓縮彈簧，彈簧通常在受力情況下，以產(chǎn)生較大形變，將儲(chǔ)存的機(jī)械動(dòng)能轉(zhuǎn)換成為彈性勢(shì)能，從而彈簧在恢復(fù)原狀時(shí)，能夠很好地將彈性勢(shì)能變?yōu)閯?dòng)能。通過擊錘裝置打到壓電陶瓷上，就會(huì)放電產(chǎn)生火花。這種彈簧屬于壓縮彈簧，其能承受軸向壓力的螺旋彈簧，采用的材料也為圓形，矩形以及多股鋼索卷制而成。彈簧為等節(jié)距，其形狀也大多為圓柱形或者是圓錐形，少量彈簧是非圓形，壓縮彈簧圈之間必然存在一定間隙，當(dāng)其受到外荷載壓力時(shí)，就會(huì)將動(dòng)能儲(chǔ)存為勢(shì)能，轉(zhuǎn)而變成強(qiáng)有力的動(dòng)能。

2.3 杠桿

如圖6所示，用手壓迫按鍵后，通過杠桿作用將手的壓力轉(zhuǎn)換為沖力作用在壓電陶瓷上，同時(shí)帶動(dòng)噴氣嘴噴出燃料。如圖所示，O是支點(diǎn)，動(dòng)力F1是手按壓壓柄的力，阻力F2是噴氣嘴對(duì)杠桿的支持力，支點(diǎn)O到動(dòng)力F1作用線的距離為動(dòng)力臂L1，支點(diǎn)O到阻力F2作用線的距離為阻力臂L2，可以看出動(dòng)力臂小于阻力臂，因此打火機(jī)中的杠桿屬于費(fèi)力杠桿。

2.4 壓強(qiáng)

如圖7所示，打火機(jī)外部塑料按手的表面積與電子打火器的壓柄的表面積相比要大2倍，根據(jù)壓強(qiáng)公式P=F/S，增大表面積可以減小壓強(qiáng)，人在使用打火機(jī)時(shí)會(huì)更加舒適。

2.5 物態(tài)變化

氣體打火機(jī)利用體積壓縮將丁烷氣體變成液體，以便儲(chǔ)存。打火機(jī)內(nèi)壓強(qiáng)大于外界大氣壓，當(dāng)閥門松動(dòng)時(shí)，丁烷液體能夠急速達(dá)到汽化狀態(tài)。物體在形態(tài)變化過程中，將吸收大量的熱，導(dǎo)致外殼溫度降低，因此噴氣嘴會(huì)凝華形成小冰晶。

打火機(jī)如圖8所示，是打火機(jī)中丁烷迅速氣化，周圍空氣在噴氣嘴附近形成的冰霜。

3 打火機(jī)在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 利用打火機(jī)設(shè)計(jì)演示實(shí)驗(yàn)作為課堂引入

物理教學(xué)過程中，演示實(shí)驗(yàn)是新課導(dǎo)入最直接的方式之一。另外，實(shí)驗(yàn)還具備生動(dòng)、直觀以及新奇的特點(diǎn)，能夠激發(fā)學(xué)生的直覺興趣。此外，教師在進(jìn)行科學(xué)活動(dòng)探究時(shí)，應(yīng)充分發(fā)揮出實(shí)驗(yàn)的趣味性、奇異性以及多邊性，為教學(xué)課堂創(chuàng)造生動(dòng)情境，活躍學(xué)生的思維。最后，演示實(shí)驗(yàn)的主要目的還是用以配合教學(xué)，教師應(yīng)根據(jù)不同的教學(xué)目標(biāo)，選擇合適的實(shí)驗(yàn)方法，如學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)或者是動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)等，以便讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出事物的規(guī)律，從而更能理解書本里的物理概念。例如，在講授初二物理第三章物態(tài)變化時(shí)，利用打火機(jī)內(nèi)的丁烷迅速汽化的現(xiàn)象；在第七章第二節(jié)，利用打火機(jī)讓學(xué)生體會(huì)彈簧彈力的大小和方向；在十二章杠桿知識(shí)點(diǎn)，讓學(xué)生體會(huì)杠桿在生活中的利用等。巧用演示實(shí)驗(yàn)，讓物理概念不再枯燥無味，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[2]。

演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)舉例。

實(shí)驗(yàn)器材：一個(gè)打火機(jī)。

實(shí)驗(yàn)步驟：(1)把打火機(jī)的金屬殼去掉，調(diào)節(jié)噴嘴處的小齒輪，把打火機(jī)的噴氣量盡量調(diào)到最大，防止著火。

(2)壓下打火機(jī)的壓板，片刻后就可以觀察到打火機(jī)內(nèi)部的液體消失，同時(shí)能聞到一股輕微的刺激性氣味。

原理解釋：打火機(jī)內(nèi)的氣壓大于外界氣壓，當(dāng)壓下打火機(jī)壓板時(shí)，打火機(jī)內(nèi)的氣壓降低，打火機(jī)內(nèi)的液體燃料發(fā)生汽化現(xiàn)象，從而消失。又因?yàn)榇蚧饳C(jī)內(nèi)液體燃料主要成分為正丁烷，其有輕微刺激性氣味。

3.2 作為命題素材，命制試題

命題時(shí)，我們應(yīng)該注重命題的教育功能，加強(qiáng)與社會(huì)、生產(chǎn)、生活的聯(lián)系，注重滲透科學(xué)精神與人文精神。命題要彰顯學(xué)科理念，體現(xiàn)學(xué)科價(jià)值。打火機(jī)作為日常生活中常見的工具，以打火機(jī)為素材命題能加強(qiáng)與學(xué)生生活實(shí)際的聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生從物理學(xué)視角認(rèn)識(shí)生活，讓學(xué)生感受到物理知識(shí)在生活中的存在價(jià)值，引導(dǎo)學(xué)生在生活中發(fā)現(xiàn)物理，用細(xì)心觀察到生活中容易被忽視的物理現(xiàn)象，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)物理學(xué)科的親切感[3]。

命題舉例：生活中常見的打火機(jī)，通常可以看見里面存有液體。小明有一天在玩打火機(jī)時(shí)，發(fā)現(xiàn)閥門松動(dòng)了。沒過多久，小明發(fā)現(xiàn)打火機(jī)里的液體消失了，但是放置打火機(jī)周圍并沒有發(fā)現(xiàn)液體，而且閥門周圍還凝結(jié)了一層白色的物質(zhì)，用手觸摸打火機(jī)會(huì)感受到冰涼的感覺，請(qǐng)大家試著用“物態(tài)變化”相關(guān)知識(shí)解釋該種現(xiàn)象。

結(jié)語

“從生活中來”，知識(shí)才有意義；“到生活中去”，知識(shí)才有價(jià)值。在教學(xué)中注重聯(lián)系生活，通過觀察生活中的物理現(xiàn)象，設(shè)計(jì)演示實(shí)驗(yàn)或者是學(xué)生自主動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也可以鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行科技小制作、社會(huì)實(shí)踐或是活動(dòng)交流等，拉近學(xué)生認(rèn)知中的物理與生活的距離，使學(xué)生深切感受到科學(xué)存在的真實(shí)性，促使學(xué)生平日多留心觀察身邊的所見所聞，并能夠大膽嘗試使用物理知識(shí)對(duì)其加以解釋，自覺地在實(shí)踐中運(yùn)用物理原理，真正做到“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”。