火柴玩科學

謝迺岳‧物理教育學會監事
新竹市科學城社區大學專任講師

你曾仔細觀察火柴嗎？或曾細細品味火柴的完整燃燒過程？曾想過火柴帶給人類文明多大的轉變？火柴頭、火柴梗和盒上的摩擦片是什麼成分呢？為什麼現在不容易看到火柴了？與火柴有關的故事有那些？一根火柴可以帶來多大的溫暖或闖出什麼大禍呢？想一想，再想一想…….。

這輕輕的一劃，人類的科技就推進了一大步；火柴帶給人們的不只是安全與便利，更大幅縮短了引火時間，讓我們有更多餘力來改善生活。但如同所有科技衍生的問題：不慎使用科技產物會引發危害—例如瓦斯中毒與核能事故—小孩玩火常造成天倫悲劇與社會騷亂！水能載舟、亦能覆舟，用火時必須非常虔敬；莊重而慬慎地面對火，是尊重自己、尊重科學，更是尊重大自然的第一課！

一、化學篇

歐洲人在19世紀初發明火柴，於19世紀中傳來東方。現代的安全火柴是把火藥粘在小木梗或紙片的一端，操作時須在火柴盒的紅磷片上摩擦而發火。火柴頭、火柴梗、紅磷片樣樣都有學問，讓我們來認識它們，並用火柴玩一些科學遊戲吧。

秉燭夜讀

蠟燭的棉芯燒完了怎麼辦？可以用一根火柴插在蠟上。點火後，毛細作用會讓蠟油上升而汽化，能持續燒很久。

原來火柴的木梗是由松、杉、楊等木頭削成，它們的質地疏鬆，並含有油脂。當火柴頭被引燃後，容易沿著木梗延燒；而燒完的木梗也形成鬆散有孔的結構，作為燭芯真是很好的材料。

值得欣賞的是：火柴梗在燃燒完後，不像線香易於斷落，總是直挺挺站著。原來在製造過程中，曾用磷酸或磷酸銨浸泡火柴梗，讓火柴餘燼不會落在地上，以免造成火災！

水中顯靈

把十根火柴投到一盤水中，它們會浮在水面上；攪拌水面後，火柴會聚在一起，形成數字的模樣，用來猜測樂透中獎號碼很有效。

火柴聚在一起的原因，是水的表面張力作用。火柴受到水的浮力而漂在水上，在木梗的旁邊，水的附著力會使水面往上彎；在兩根火柴之間，水的表面張力使水的表面積縮小，慢慢的就使火柴聚在一起了。

用點火槍烤水面上的火柴梗，會產生白色的物質漂浮在水面；再度攪拌水後，火柴就不會聚在一起了。原來，白色的漂浮物質是木頭中的油脂和防潮用的石蠟，它們被熱熔出後留在火柴梗的表面，使水不易附著；所以水面上相戀的火柴，就被我們硬生生地分開了，真是罪過！

水淹金山寺

把粘土捏成圓錐粘在盤子的中央，圓錐頂端插三根火柴；並在盤中盛一杯自來水（約200cc），在水中加2cc廣用指示劑，這時水會呈藍色，是因為自來水中通常含有礦物質而為鹼性。然後把一支600cc寶特瓶的上端1/6剪掉，留下500cc的瓶身備用。

用打火機點著火柴，立刻將寶特瓶倒立蓋住火柴，並壓住盤子。當火焰熄滅後，神奇的事發生了：幾乎所有的水都被吸入瓶中。吸乾瓶外的水後，雙手扶著寶特瓶和盤子搖晃一分鐘，水會變綠色，非常神奇。

這個實驗說明兩件事：

• 水被吸入瓶中的原因，不僅是瓶中的氧氣耗完所致。雖然空氣中的氧氣含量是1/5，但是進入瓶中的水卻達2/5的瓶子容積。原來火柴加熱空氣時，使瓶內空氣密度變小，而且瓶中的煙霧都是容易溶於水的物質，因此在冷卻後，瓶內氣壓大幅減小，才會吸入大量的水。
• 瓶內煙霧溶於水後，會變成酸。燃燒後的煙霧中含有二氧化碳和二氧化硫，它們溶於水後會成為碳酸和亞硫酸，中和了原先的鹼性自來水，所以使瓶內的水變成綠色。如果插十二根火柴做同樣的實驗，水的顏色會變黃，甚至變為橙色！

用相同的方法，撕下盒邊的磷片來燃燒，結果會怎樣呢？這時，煙霧中的氧化磷溶於水後成為磷酸或偏磷酸，也能使水變色！如果在盤上倒一杯自來水並加1cc優碘，燒三根火柴再蓋上瓶子，瓶內的水會由黃色變成透明！原來煙霧中的二氧化硫具有很強的還原力，可以把碘分子變為無色的碘離子，就形成無色透明的液體囉。

有字天書

用指甲把十根火柴的火藥刮下來，泡在5cc的水中攪拌。用手指沾藥水在紙上寫字，水乾後用線香去燒紙，這時寫過字的地方會自動延燒，把字形燒出來。

原來火柴頭是由氯酸鉀和硫磺等物質混合而成，其中的氯酸鉀可以溶解在水中。把氯酸鉀水溶液寫在紙上，等於是在紙上舖一條火藥引線，當然容易延燒囉。（請參考「無字天書」一文）

連鎖反應

赤壁之戰發生在三國時代，魏軍把船繫在一起，被吳蜀聯軍火攻後全部燒毀，在科學上可視為鏈鎖反應。把許多火柴盒直立起來排成一列，推倒一端的火柴盒就能壓倒所有的火柴盒，如同骨牌一般非常好玩。

用火柴棒做骨牌，更可以體會鏈鎖反應的威力！把一條粘土貼在盤中，在粘土上插20根火柴，並讓火柴直立、靠緊、排成一列。點燃火柴列的一端，其餘火柴會依序燒起來，可以做為炸藥的引線。

用鈾做成的原子彈是很強的鏈鎖反應。將一顆中子射入鈾核，鈾核分裂時會射出三顆中子，使其餘鈾核接著分裂，在短時間內可釋放大量能量。把粘土壓成一大片貼在盤中，將火柴直立在粘土上，緊靠並形成樹枝、網狀、或愛心的形狀；點火燒最前端的一根火柴，其餘火柴會在短時間內迅速點燃，非常壯觀！

用火柴棒也可以體驗森林火災或草原大火的滅火法。在整排緊靠的火柴棒中間抽掉一根火柴，稱為防火巷；在火柴列的一端點燃火柴，當大火快要延燒到防火巷時，點燃防火巷靠近大火一端的火柴，就能控制火勢不會蔓延到全部火柴。原來由於熱對流的影響，防火巷邊的火柴被點燃時，它的火焰會往大火的方向傾斜，就能止住火勢了。犧牲小我、完成大我，小小火柴真偉大！

現出原形

用錫箔紙把五根去頭的火柴梗捲成一束，上端開口，下端纏緊在鐡絲上，然後用火烤。在烤的過程中，會發現開口端冒出白煙；原來這是木柴中油脂的汽化現象，聞一下白煙的氣味，就能辨別火柴梗是用什麼樹種製造的。台灣苗栗縣在一百年前使用類似的乾餾法，在無氧的環境下加熱樟木，可以冷凝成樟油並煉製成樟腦。

用火點白煙，鋁箔紙的頂端就會冒出火苖。當鋁箔紙不再冒火時，等待十分鐘讓鋁箔冷卻，然後打開鋁箔檢視，可發現一根根的活性碳，用來畫圖或淨水都很讚！台灣新竹縣的鄉間，現在仍有炭窯在生產木炭，主要的原料是相思木，也是使用無氧加熱法，有空可以去看看。

物理篇

常見的火柴盒由紙製成，長5cm、寬3.5cm、高1.5cm、空盒質量約3.5g；每盒有50根火柴，火柴長4.4cm，平均質量0.13g。火柴盒與火柴具有固定的規格，可以作為長度、質量、時間的量測工具。將火柴排列，有許多數學遊戲；將火柴組合，物理遊戲更刺激！

屹立不搖

在距離地面20cm高的地方，放手讓一盒火柴落地，你能讓火柴盒直立嗎？

通常火柴盒會反彈而翻倒。如果把火柴盒的抽屜往上拉開，再做同樣實驗，火柴盒就能直立了。原來火柴盒落地時，上方的抽屜還在向下運動；提供了緩衝與方向性，於是火柴盒就不易翻倒囉！

同心協力

火柴盒軟硬適中，用來做拱橋最合宜。把一個塑膠盒蓋放在桌上，利用蓋邊的凸起處，可以把數個火柴盒架成拱橋。比賽誰最先架成拱橋，或那一座橋的跨距最長、橋孔最高、用料最省或最堅固。

拱橋的弧線稱為懸鍊線，原理是相鄰的單元（火柴盒）作用力大致連結彼此的重心，因此可以把重量沿著弧線壓到兩端的橋墩。只要橋墩穩固，任何弧度的拱橋幾乎都做得出來。

火柴梗是方柱狀，摩擦係數也夠大，用來玩花式架橋最好用，居家出外兩相宜。把一根火柴平放在桌上，第二根火柴頭壓在第一根火柴的脖子上，以後依序類推；但須把第一根火柴頭抬起來，壓在最後一根火柴的脖子上，就完成一張桌子了。

三根火柴的桌子，也是簡易的架橋方式，可以讓螞蟻渡過6cm長的河寬；而五根火柴的組合，甚至跨距可達9cm；你可以挑戰更長跨距的橋嗎？祝你成為一位傑出的工程師。

七級浮屠

傳統的疊疊樂用許多木條架成，火柴棒正是最好的疊疊樂材料，容易攜帶又省錢。把三根火柴平行排列在桌上成為底層，在它們上方垂直排列第二層，依此類推排列六層後，在最上方直立一個火柴盒。

比賽時，每人每次抽一根火柴；誰把火柴盒弄倒就要請客！這個活動相關的科學原理是力矩與摩擦力，致勝的秘訣是找到能活動的火柴，接觸力小則摩擦力小，加上膽大心細，你一定贏。

營火興旺

用疊疊樂的方法，把火柴架在一個倒立的鐡罐上，變成營火堆。燒營火前須規劃使營火堆燒的時間長，且須燃燒完全；那麼，我們應當從何處點火呢？上層、中層、還是底層？

答案是上層。雖然從底層點火會燒得快，但是燒毀營火堆的結構就容易倒塌，燒太快且燒不完全。在沁涼的夜裡，看著營火從上方慢慢往下燒，和三五好友一同暢飲同歌，真是人生的大快意呀！

一帆風順

把一個空的火柴盒放在水面上，就是一艘小船。如果用一張紙牌插在火柴盒的抽屜裡，直立在盒邊，它就進化成小帆船了。和朋友一起吹氣，比賽誰的帆船航行得快！

火柴的抽屜真是絕妙的聯結器。用火柴盒的抽屜連結兩個外盒，並在兩個盒上分別裝上輪子，就成為一輛小車了。在下坡的地方，比賽誰的車跑得直、跑得快；並試試，如果盒內加重，會不會跑得更快更遠呢？

輪軸的做法很簡單，用橡皮圈把吸管綁在火柴盒上；竹籤穿在吸管內做軸，再用寶特瓶蓋做輪子即可。如果把很多火柴盒聯結成一長串，成為加長型禮車，送禮自用兩相宜！

炮火連天

古代作戰時，常用弓射出帶火的箭。把火柴盒直立在桌邊，火柴盒上插三根火柴成為ㄇ型。點火後，最上方的火柴就會「咻」的一聲飛向遠方。

這個活動是彈力的應用，射出的火柴就像是被弓射出的火箭。由於火柴長度大於火柴盒的寬度，所以最上方的火柴能被兩側火柴夾緊。當火柴燃燒時產生間隙，彈力就使上方的火柴飛出。其實不會有「咻」的聲音，必須自己配音；而射程一公尺算不算遠呢，就見仁見智囉；不過因為火柴盒是放在桌邊的，仰角45度反而射不遠，平射就好！

探空火箭

用指甲把五根火柴的火藥刮下，和一根火柴梗一起放在錫箔紙的中央；用錫箔紙包住火藥，再把火柴梗抽出，探空火箭就完成了。用一根鐡絲彎成兩組發射架，可以同時發射兩具火箭，也不易傾到。把火箭套在發射架上，點火射出，和朋友比賽誰射得最遠。

這個活動是利用火藥產生的氣體及熱量，使氣體快速膨脹往後方出口噴射，形成推力使火箭升空。從桌邊射出可達一公尺遠，威力驚人！

火藥燃燒時，大量的熱在瞬間產生，所以能提供強大的推力！用於善的地方，例如開礦與火箭，可以增進人類的福祉；反之，製成武器或造成污染，就遺禍萬年了。火柴梗由木柴製作，只要十年樹木就能生成許多火柴，燒剩的木梗也不會造成污染。反之，使用石油或天然氣製造打火機，將億萬年才涵孕而成的寶藏用來取暖煮飯，真是浪費！

熱情如火

不用火柴或打火機點火，如何使火柴燃燒呢？用硫酸太危險了，還是用放大鏡接天火吧（請看「玻璃珠玩科學」一文）！在地上把三根火柴擺成Y型，使火柴頭聚在中央；用凸透鏡使陽光匯集在火柴頭上，火柴燒著後，火柴頭會粘在一起！

原來火柴中的硫與玻璃質在燃燒的高溫下，先熔化再凝結，就能和相鄰的火柴頭粘在一起了。用相同的方法，我們可以把火柴擺出各種造型，玩「粘粘樂」的遊戲。

把火柴棒插在盒上，可以做出烏龜、螃蟹、蠍子等動物造型，放在書桌上很好看；它們（牠們）很脆弱，需要我們好好保護，地球才有美好的天天！