來點火花吧!

 

壹、活動目標  Goal 

了解兩種打火機的結構以及其點火器的原理，從實作中觀察摩擦起火與高壓放電產生火花的現象。探究摩擦速度及放電距離是否影響點火。

大概念 Big Idea 

 摩擦生熱、高壓放電

核心問題(探究問題) Essential Question 

教學對象

教學時間

作者(服務單位) 

通訊作者e-mail 

sdtzeng@gms.ndhu.edu.tw

貳、課程綱要對照 Course Outline 

※十二年國教素養導向綱要

【自然科學-第四學習階段-學習表現】

po -Ⅳ-1

能從學習活動、日常經驗及科技運用自然環境書刊網路媒體中，進行各種有計畫的觀察而能查覺問題。

pa-Ⅳ-2 能運用科學原理、思考智能、數學等方法，從（所得的）資訊或數據，形成解釋、發現新知、獲知因果關係、解決問題或是發現新的問題。

ai-Ⅳ-1

動手實作解決問題或驗證自己想法，而獲得成就感。

ai-Ⅳ-2

透過與同儕的討論，分享科學發現的樂趣。 

參、活動原理 Theory 

燃燒的產生需要三大要素，分別是可燃物(例如燃料)、助燃物(例如氧氣)以及高溫。當溫度超過所謂的燃點時，燃燒才會持續進行。我們平常“看見”的燃燒現象，是物體在劇烈的化學反應時產生高溫，並造成電漿而發出的輝光。

[進階知識] 電漿是由帶有正負電荷分離的氣體原子或分子所構成的。氣體中有許許多多可以到處移動的原子或分子，通常原子或分子上帶有一樣多的正負電荷(也就是電中性的)，並且一起移動。但是當溫度夠高時，熱的能量有可能使原子或分子上帶負電的電子脫離，使原本電中性的原子或分子變成帶正電的離子。當帶負電的電子回到帶正電的離子身邊(復合)時，放出的能量會產生光(此種發光稱為輝光)。這也就是為何我們可以看見燃燒發光的原因。

要產生上面說的電漿，通常除了用很高的溫度之外，也可以用很高的電壓讓電子從金屬上被發射出來，並且撞擊氣體，讓氣體上的電子被撞出去，因而產生離子並且發光。閃電就是這樣的現象，在高電壓的加速下，電子帶有很高的能量，在撞擊到氣體的過程中產生更多電子與離子，並在電子與離子復合時放出明亮的光。這些電漿具有很高的溫度，可以引發可燃物(例如燃料)與助燃物(例如氧氣)的化學反應，並持續產生出高溫的環境。

本實驗中，我們要動手產生火花，也就是產生可引發出火的小小電漿。引發的方式分成兩種，一是利用磨擦生熱讓低燃點的東西(例如砂輪式打火機上的人造打火石)因為高溫而燃燒。另一種是利用壓電材料(可從壓電式打火機上取得)產生的高電壓製造出的小閃電。

人造打火石通常是由燃點低的稀土元素以及鐵為主要材料。稀土元素鈰（英語：Cerium，化學符號 Ce）、鐠（英語：Praseodymium ，化學符號 Pr）與釹（英語：Neodymium ，化學符號 Nd）的燃點温度很低（鈰為165 ℃，鐠為290 ℃，釹為270 ℃）。加入鐵(與少許鎂)則可使打火石較堅硬，減少磨損速率。當打火石與砂輪磨擦時，打火石因摩擦產生少許的碎屑及高溫，使打火石碎屑上的稀土元素燃燒起來，變成噴濺出去的小火星。如果摩擦時產生的溫度不夠高，則只會產生碎屑，不會燃燒成火星。

壓電式打火機的點火裝置則主要是小小塊的壓電材料。壓電材料的特性是在受到壓力而形變時，同時可產生電壓。反過來，在施加電壓給它時，也會產生一點點形變。當壓電式打火機上的壓電材料被打火機上的撞擊器撞擊時，因為瞬間的壓力與形變，可產生高於數千伏特的電壓，進而產生瞬間的高壓放電，製造出閃電般的電漿。如果要看到明顯的閃電，除了陰極與陽極間的電壓要足夠高之外，兩者的間距也很重要。陰極與陽極距離很近時，雖然電場很強，但是電子從陰極上被發射出去後僅撞擊少量氣體就來到臨近的陽極，因此產生的電漿反而不多。反之，距離很遠時陰極與陽極間的電場太小，不足以讓電子在兩次碰撞間的空檔產生足夠的加速及能量，也就無法將其他氣體的電子撞出去產生連鎖反應。因此，陰極與陽極距離太遠時也無法產生明顯的閃電。

本實驗將透過實作，觀察上述這些現象。

肆、活動材料 Material 

器材

砂輪式打火機，壓電式打火機、鋁箔紙、直尺、剪刀、小一字起子、水(沾濕與滅火用)。

【圖一】


藥品

無 

【圖一】

伍、活動步驟 Step 

第一部分 原理簡介

1. 以投影片或解說板介紹燃燒概念與電漿。

2. 以投影片或解說板介紹打火石成分與特性。

3. 以投影片或解說板介紹壓電材料特性與產生高壓放電(閃電)的原理。

< 以上可參考 活動原理 之內容，視學生程度解說 >

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第二部分 實作觀察

A. 初步觀察

1.  教師先示範打火機操作，並說明安全注意事項。

2.  發給砂輪式打火機與壓電式打火機，說明兩者特徵。砂輪式打火機(如下左圖)有一個可轉動的小砂輪，快速撥轉砂輪可以產生火花。壓電式打火機(如下右圖)則用按壓方式點火，按壓處下方通常可見圓柱型的小金屬罩，裡面藏有壓電陶瓷材料。

【圖二】

1.  讓學員嘗試點火，並將瓦斯出口調小。[注意:火不可以靠近易燃物，並避免燒燙傷。]

 

B. 砂輪式打火機:

1.  取一個砂輪式打火機，拆下金屬罩(可用一字小螺絲起子輔助)，如下圖。

【圖三】

2.  在不按壓到瓦斯開關(不輸出瓦斯)的清況下，轉動砂輪，觀察打火石發出火花的過程。[注意:小心火花噴濺，眼睛不可湊近。]

3.  將轉動砂輪的速度放慢，觀察轉速極慢時是否能產生火花。

4.  將砂輪式打火機斜斜朝下，下方平放一小張鋁箔紙，如下圖。在不按壓到瓦斯開關，且輕轉砂輪不產生火花的條件下，輕轉砂輪，觀察鋁箔紙上是否出現打火石碎屑。

【圖四】

5.  用未拆解的打火機點火(小火)，靠近打火石碎屑，觀察碎屑是否會劇烈燃燒。[注意:小心手燙傷。]

6.  探討打火石碎屑在慢速轉動砂輪時，不會產生燃燒的原因。


C. 壓電式打火機:

1. 取一個壓電式打火機，拆下金屬殼(可用一字小螺絲起子輔助)，抽出壓電點火器。如下圖。

【圖五(a)至圖九(e)】

2. 可將抽出的壓電點火器的電線，用剪刀將其塑膠皮剪開一點，方便觀察。如上圖(a)。

3. 讓壓電點火器上的電線末端與金屬罩距離拉遠或靠近，按壓撞擊器，觀察閃電產生的情形。

[注意: 此處之閃電雖具有高電壓，但電流甚小，對人體無害。但切勿電擊他人。]

4. 探討放電距離遠近對閃電產生的影響。

5. 可在鋁箔紙上蒐集一些未燃燒的打火石粉末(如前面實驗步驟B部份)，用壓電點火器在粉末處製造閃電，觀察打火石粉末是否會被引燃。如下圖。

【圖十】將壓電點火器的金屬罩按壓在鋁箔紙上，放電電線靠近(保持適當距離)打火石粉末。按壓撞擊器產生閃電，觀察打火石粉末是否燃燒。 【圖十一】為實驗後之結果，粉末附近有燃燒殘留的痕跡。


D. 進階:

1. 將一砂輪式打火機弄濕(例如快速沾水，然後甩掉多餘的水份)，快速轉動砂輪，觀察是否可產生火星。[可將金屬殼先拆除，利於觀察]

2. 將一壓電式打火機弄濕(例如快速沾水，然後甩掉多餘的水份)，按壓點火器，觀察是否可產生閃電。[可將金屬殼先拆除，利於觀察]

3.[進階觀察] 如果有老虎鉗等適當工具，可以將壓電點火器繼續拆解，觀察其結構(如下圖)。可看到圓柱型金屬罩裡面有小小顆的壓電陶瓷(黑色)，撞擊器裡面則有彈簧以及金屬機件，可以在下壓過程讓撞擊桿被推出溝槽，並透過彈簧彈力，將撞擊桿推向壓電陶瓷一端，產生瞬間的撞擊壓力。

【圖十二】

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第三部分 科學探究

1. 探究砂輪式打火機上，砂輪轉動的快慢對火花產生的影響。[砂輪可在較粗糙的平面上推移，以推移速率得出轉動快慢。觀察不同速率下產生火花的多寡，以及產生火花的最小速率。]

2. 探究壓電點火器上，電極之間的距離對閃電產生的影響。[距離可用直尺測量，觀察閃電明顯程度。可進階嘗試，在閃電間放置不同物品，觀察物品對閃電的影響。]


【圖二】(左圖) 砂輪式打火機，(右圖)壓電式打火機。

【圖三】砂輪式打火機(左圖)，將金屬罩拆下(中圖)，可以看到砂輪下方有小顆打火石(右圖)。


【圖四】打火機斜朝下，輕轉砂輪(不產生火花)，在鋁箔紙上蒐集打火石碎屑。

【圖五】(a)

【圖六】(b)

【圖七】(c)

【圖八】(d)

【圖九】(e)

【圖十】

【圖十一】

【圖十二】

教案學習單

（待調整）

1.  使用砂輪式打火機時，砂輪轉動的速度太慢就不會產生火花。以下何者正確? (a) 轉速太慢就沒有打火石碎屑產生，也沒有摩擦產生的熱。(b) 轉速太慢雖然有打火石碎屑產生，但摩擦生熱的溫度不夠高到產生燃燒。(c) 轉速太慢就沒有打火石碎屑產生，雖有摩擦產生的熱也不會有火花。

解答: (b)

2.  壓電打火機點火時會產生閃電，是因為? (a) 打火機裡面有高壓電電池，可產生高壓放電。(b) 打火機裡面有壓電材料，受到撞擊產生高壓放電。(c) 打火機裡面有燃料電池，會放出高溫高熱，產生出閃電。

解答: (b)

實作注意事項 

實驗安全事項

切勿將火靠近易燃物，嚴禁將瓦斯集中在容器中點火。

實驗時應將打火機之瓦斯出氣口調到最小，以策安全。

勿隨意使用壓電點火器產生之高壓電讓其他人觸電。

 

實驗廢棄物處理

打火機應將瓦斯排放用盡，破壞塑膠殼後再丟棄。打火機丟一般類資源物，需先處理後丟置垃圾車。(見參考資料3)

參考資料 

1.  https://zh.wikipedia.org/wiki/打火機

2.  打火石成分:  https://baike.baidu.com/item/打火石/711777

3.  打火機回收:  http://web.tydep.gov.tw/03ras/recycle/zh-tw/knowledge_112.html

闖關活動(十分鐘) 


壹、準備活動

★教師準備：

1.  解說板: 燃燒概念與電漿解說板、打火石成分與特性解說板、壓電材料特性與高壓放電原理解說板。

2.  叮嚀注意事項，提醒學員不可將火靠近易燃物，小心燙傷及火花噴濺，不可用高壓電電擊他人，等等。

 

★學生準備：

器材:

砂輪式打火機，已拆解的與未拆解的，闖關者每人各一個(可重複使用)。

壓電式打火機，已拆解的與未拆解的，闖關者每人各一個(可重複使用)。

小片鋁箔紙(約方形，邊長5公分-10公分)，闖關者每人一片。

直尺、剪刀、小一字起子，各數隻。

水，可倒在容器中備用。(沾濕與滅火用)

 

貳、闖關之前

關主依據各輪闖關人數，備妥器材。準備解說板，熟練步驟與解說。

 

参、進入關卡

(~1分鐘)1. 簡介本關名稱與目標。示範說明砂輪式打火機與壓電式打火機的特徵。

(~1分鐘)2. 關主示範用砂輪式打火機點火，提醒學員注意事項。學員跟隨操作。

(~1分鐘)3. 改讓學員用拆下金屬殼的砂輪式打火機，調小瓦斯流量[也避免壓到瓦斯開關]，嘗試轉動砂輪，觀察火花的產生。關主介紹打火石位置與成分。

(~1分鐘)4. 讓學員嘗試慢慢轉砂輪，讓打火石不產生火花。在鋁箔紙上蒐集打火石粉末。關主介紹摩擦生熱原理。

(~1分鐘)5. 讓學員小心用未拆解的打火機將粉末點火，觀察粉末的訊速燃燒，產生火星。

(~1分鐘)6. 關主改用壓電式打火機示範點火，提醒學員注意事項。學員跟隨操作。

(~1分鐘)7. 改讓學員用拆下金屬殼的壓電式打火機，調小瓦斯流量[也避免壓到瓦斯開關]，按壓點火器，觀察瓦斯出口處閃電的產生。

(~1分鐘)8. 讓學員按壓拆下來的壓電點火器，觀察閃電的產生。

(~1分鐘)9. 讓學員調整壓電點火器電線位置，改變高壓放電距離，觀察不同距離下閃電產生的情況。

(~3分鐘)10. 關主解說閃電原理。與學員問答。總結。

 

伍、闖關結束

學員將器材歸位，整理垃圾。填寫學習單。


預算表

每人次／每組的材料及預算（*以一組為單位）

項目.材料 / 數量/金額 (元)

1.砂輪式打火機 /每人1個/每個約$10元 可重複使用

2.壓電式打火機 / 每人1個/每個約$10元 可重複使用

3.鋁箔紙(邊長約5-10公分) / 每人1小片/$1

4.直尺 / 數把/$0 (文具)

5.一字小螺絲起子(或類似功能之物)/每組1個/$0 (可找免費替代物品)

6.剪刀 / 每組1把/$0 (文具)

總計 / 每人/每人少於 $21元 (可重複使用)