太空失重状态下蜡烛火焰燃烧情况的研究
时间：2020-12-10 00:00:22 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
提出问题
爱因斯坦曾经提出过一个假设：在失重的情况下，没有对流现象，氧气无法补充，点燃的蜡烛将会熄灭。
1996年，美国国家航空航天局在太空舱中成功地进行了微重力环境下的蜡烛燃烧实验。实验结果是，蜡烛并未熄灭，但火焰呈蓝色球状，蜡烛的消耗速率减小，火焰的结构也与常规重力下的蜡烛火焰不同。
那么，爱因斯坦的假设是错误的吗？围绕这个问题，我设计了以下实验进行研究。
分析问题
实验首先需要的器材是失重实验舱。我设计的失重实验舱示意图如下。为减小空气阻力，外形按照火箭的布局设计，内置无线电摄像头，在监视器上可观察实验舱内物体外观的变化。实验过程中的失重状态是通过实验舱的自由落体来模拟获得的。
在实验舱失重下落的过程中，可以通过电脑显示屏实时观察蜡烛火焰的燃烧情况，还可以在实验结束后逐帧回放进行分析。
我的实验
实验共分为两个部分。
一、首先是设备验证实验，主要是证明实验舱内没有足以吹灭火焰的气流。
由于失重实验舱的制作采用的是废弃的塑料可乐瓶，设备的可靠性是实验能否证明假设的基础。
点燃蜡烛，关好舱门，然后用电脑记录火焰的燃烧情况，再对录像进行视频截图分析。实验中，将直径为8.5cm的失重实验舱蜡烛实验的影像资料逐帧分析，火焰的形状由流线形逐帧向下缩短而成为半球形，亮度逐帧减弱，在0.44s时熄灭。如果舱内有吹灭火焰的气流，方向是自下而上的，火焰的形状将仍旧保持流线型，而不是变为半球形，亮度会因为气流提供氧气而不会减弱。因此可以证明舱内没有足以吹灭蜡烛火焰的气流。
二、第二部分实验是探究微重力大小对蜡烛火焰的影响。
我制作了三个失重实验舱，直径分别为6.5cm、8.5cm和11.0cm，分别从12.5m高的楼上扔下，之后通过视频录像回放来研究蜡烛火焰的燃烧情况。通过分析得出下表的实验记录。
*注：火焰在0.40s时变为蓝色球形，其顶端有一微弱的黄色火焰。在0.44s时，黄色火焰消失，成为蓝色球形。在1.20秒时，顶端黄色火焰重现，并逐帧增大。推测这可能与空气阻力的变化有关。
实验结论
爱因斯坦所说的“在失重情况下”指微重力为零，根据实验结果分析，其预测是正确的。
美国国家航空航天局的实验中，航天器内存在微重力，其质心位置微重力量级约为10-6~10-4g，其他位置的微重力还略大于质心位置的微重力。所以实验中蜡烛不熄灭的原因是微重力不够小。该实验中火焰的燃烧情况与我用直径为11.0cm的实验舱所获得的蜡烛火焰燃烧状态相似，推测当时的微重力情况与我的11.0cm实验舱所获得的微重力相当。
综上所述，蜡烛火焰的燃烧情况与微重力的大小有关。根据实验结果，我推测：存在微重力值G1、G2，G1＜G2，当微重力g＜G1时，蜡烛火焰熄灭；当微重力g满足G1＜g＜G2时，蜡烛火焰呈蓝色球形，并能够持续燃烧；当微重力g＞G2时，蜡烛呈黄色。由于实验条件的限制，未能对这一推测进行精确计算求值。
