火柴玩科學

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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。

用火柴作燭芯,運用了火柴燒不斷的特性,也是毛細現象的範例。

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!

火柴棒因水的表面張力而相聚
火柴梗的油脂受熱熔出,使火柴棒不能靠攏

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。

點著火柴後,立刻蓋上瓶子,水就會被吸入瓶內,並且會變色,真神奇!

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

把火柴頭泡水,溶出氯酸鉀後,可以在紙上寫字畫圖,玩無字天書的遊戲。

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!

用火柴盒製作骨牌,它們會上坡喔。
用火柴製作愛心骨牌,祝你天天開心。
如何消弭森林與草原大火?火柴告訴你!

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。

用火柴盒製作骨牌,它們會上坡喔。

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!

放手後,火柴盒落在桌上仍能直立站住嗎?。

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。

用火柴盒搭拱橋,不論多長多高都能難不倒你。
用火柴盒搭拱橋,不論多長多高都能難不倒你。

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!