打火机的物理原理及教学应用
时间：2023-01-18 12:25:10 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
朱蕾蕾 熊举峰
湖南师范大学物理与电子科学学院 湖南长沙 410000
打火机作为人类生活中的常用工具，其主要用途是取火，同时也可以用于炊事及其他。以前的打火机基本上都是火石钢轮式的，用钢轮和火石摩擦产生火花引燃气体，随着科技的发展，落后的火石钢轮打火机已经被淘汰了，现在基本上是压电式、磁感应式、电池式，其中，又以压电式最为普及，本文主要介绍压电式打火机所蕴含的物理原理[1]。压电式就是咱们平时用的带有一个小“电打火”的打火机，按一下就能出火，打火机经常用，那么火是怎么点燃的呢？
图1是市面上常见压电打火机拆解后的示意图，一个普通的打火机包括塑料外壳(燃料载体)、防风帽(保护火焰和出火装置)、按手(控制火焰产生和熄灭)、杠杆(带动喷气嘴放气)、压电陶瓷打火器(导出电火花与燃料结合)、调火环(调节火焰大小及出气量)、喷气嘴(防止漏气，配合调火环调节火焰高低)、无纺布海绵(调节火焰稳定)、引流芯(引出燃料)。打火机的核心是压电陶瓷打火器，它可以将机械能转化为电能，按下打火机按钮时，打火机内部的蓄力弹簧开始蓄力，按压到一定程度，塑料上壳的斜切面，就会把扣击锤头的纤维杆从卡槽内推出，这时候蓄力弹簧推动叩击锤头，撞向下方的压电陶瓷，压电陶瓷被撞击压缩后出现放电现象，被释放的电通过高压导线被传到喷气嘴附近，高压导线和金属的喷气嘴构成正负极，产生电弧，与此同时，喷气嘴会被杠杆拉起产生丁烷，丁烷吸收空气中的热量后，会迅速汽化，遇到电弧，就会将电弧点燃。
2.1 压电效应
打火机的原理主要利用了压电效应，打火机内部有压电陶瓷元件，这个元件一端接上导线，引出到打火机的出气口。在外界电场作用下，压电陶瓷内部的电荷中心发生相对位移极化。压电陶瓷的内部表面会出现符号相反的正负束缚电荷，外表面出现极性相反的自由电荷，如图2，压电材料受到挤压出现电荷极化。受到外力作用时，自由电荷被内部束缚电荷排斥走，这也就导致压电陶瓷向外放电(外界按压的机械能转换为电能)，按下的瞬间机械结构带动了打火机的储气阀门开启，压电陶瓷放出约3000V以上高压电击穿空气产生火花，丁烷气体遇到火花而点燃。
压电陶瓷本身是没有电的，但是当外力挤压作用下，压电陶瓷发生了形变，如图3所示，它的内部两侧就会出现正负电荷，表现出有电的状态，这时按压力产生的机械能转化为电能。这被称之为正压电效应。
逆压电效应与正压电效应相反。如图4所示，给压电陶瓷增加一个外电场，这个时候压电元件就会产生形变。如果通入的是高频交流电，元件就会出现反复的形变，也就是振动。这就是逆压电效应，这是电能转化为了机械能。
打火机的电子器打人发麻，这是什么原理呢？打火机压电陶瓷产生的电压在3000V以上，而且这种高压可以将2mm左右的空气击穿。打火机利用金属线头以及气孔喷嘴，瞬间将打火机内的丁烷气体燃烧。此外，压电感应所产生的电流仅仅只有0.01秒，极为短暂的伤害不会对人体造成较大痛处。因此，打火器给人的是触电发麻的感觉，并没有太大痛苦。
2.2 弹簧弹力
如图5所示，打火机的击锤两端都有弹簧，向下压压柄，给弹簧施加压力就会压缩弹簧，弹簧通常在受力情况下，以产生较大形变，将储存的机械动能转换成为弹性势能，从而弹簧在恢复原状时，能够很好地将弹性势能变为动能。通过击锤装置打到压电陶瓷上，就会放电产生火花。这种弹簧属于压缩弹簧，其能承受轴向压力的螺旋弹簧，采用的材料也为圆形，矩形以及多股钢索卷制而成。弹簧为等节距，其形状也大多为圆柱形或者是圆锥形，少量弹簧是非圆形，压缩弹簧圈之间必然存在一定间隙，当其受到外荷载压力时，就会将动能储存为势能，转而变成强有力的动能。
2.3 杠杆
如图6所示，用手压迫按键后，通过杠杆作用将手的压力转换为冲力作用在压电陶瓷上，同时带动喷气嘴喷出燃料。如图所示，O是支点，动力F1是手按压压柄的力，阻力F2是喷气嘴对杠杆的支持力，支点O到动力F1作用线的距离为动力臂L1，支点O到阻力F2作用线的距离为阻力臂L2，可以看出动力臂小于阻力臂，因此打火机中的杠杆属于费力杠杆。
2.4 压强
如图7所示，打火机外部塑料按手的表面积与电子打火器的压柄的表面积相比要大2倍，根据压强公式P=F/S，增大表面积可以减小压强，人在使用打火机时会更加舒适。
2.5 物态变化
气体打火机利用体积压缩将丁烷气体变成液体，以便储存。打火机内压强大于外界大气压，当阀门松动时，丁烷液体能够急速达到汽化状态。物体在形态变化过程中，将吸收大量的热，导致外壳温度降低，因此喷气嘴会凝华形成小冰晶。
打火机如图8所示，是打火机中丁烷迅速气化，周围空气在喷气嘴附近形成的冰霜。
3.1 利用打火机设计演示实验作为课堂引入
物理教学过程中，演示实验是新课导入最直接的方式之一。另外，实验还具备生动、直观以及新奇的特点，能够激发学生的直觉兴趣。此外，教师在进行科学活动探究时，应充分发挥出实验的趣味性、奇异性以及多边性，为教学课堂创造生动情境，活跃学生的思维。最后，演示实验的主要目的还是用以配合教学，教师应根据不同的教学目标，选择合适的实验方法，如学生观察实验或者是动手操作实验等，以便让学生在实验中总结出事物的规律，从而更能理解书本里的物理概念。例如，在讲授初二物理第三章物态变化时，利用打火机内的丁烷迅速汽化的现象；
在第七章第二节，利用打火机让学生体会弹簧弹力的大小和方向；
在十二章杠杆知识点，让学生体会杠杆在生活中的利用等。巧用演示实验，让物理概念不再枯燥无味，从而激发学生的学习兴趣[2]。
演示实验设计举例。
实验器材：一个打火机。
实验步骤：(1)把打火机的金属壳去掉，调节喷嘴处的小齿轮，把打火机的喷气量尽量调到最大，防止着火。
(2)压下打火机的压板，片刻后就可以观察到打火机内部的液体消失，同时能闻到一股轻微的刺激性气味。
原理解释：打火机内的气压大于外界气压，当压下打火机压板时，打火机内的气压降低，打火机内的液体燃料发生汽化现象，从而消失。又因为打火机内液体燃料主要成分为正丁烷，其有轻微刺激性气味。
3.2 作为命题素材，命制试题
命题时，我们应该注重命题的教育功能，加强与社会、生产、生活的联系，注重渗透科学精神与人文精神。命题要彰显学科理念，体现学科价值。打火机作为日常生活中常见的工具，以打火机为素材命题能加强与学生生活实际的联系，引导学生从物理学视角认识生活，让学生感受到物理知识在生活中的存在价值，引导学生在生活中发现物理，用细心观察到生活中容易被忽视的物理现象，增强学生对物理学科的亲切感[3]。
命题举例：生活中常见的打火机，通常可以看见里面存有液体。小明有一天在玩打火机时，发现阀门松动了。没过多久，小明发现打火机里的液体消失了，但是放置打火机周围并没有发现液体，而且阀门周围还凝结了一层白色的物质，用手触摸打火机会感受到冰凉的感觉，请大家试着用“物态变化”相关知识解释该种现象。
“从生活中来”，知识才有意义；
“到生活中去”，知识才有价值。在教学中注重联系生活，通过观察生活中的物理现象，设计演示实验或者是学生自主动手操作实验，同时也可以鼓励学生进行科技小制作、社会实践或是活动交流等，拉近学生认知中的物理与生活的距离，使学生深切感受到科学存在的真实性，促使学生平日多留心观察身边的所见所闻，并能够大胆尝试使用物理知识对其加以解释，自觉地在实践中运用物理原理，真正做到“从生活走向物理，从物理走向社会”。
