问题讨论与思考
一个有趣的驱动性问题
———蜡烛在太空中能否燃烧
魏 锐１＊ 黄 婷２ 杨晶晶３
（）北京师范大学化学学院 １云南昆明市第一中学 ６北京１１．００８７５；２．５００３１；３．０１中学 １０００９１
，男，汉族，河南濮阳人。１１９８１－）９９９年进入北京师范大化学学 魏锐（
院学习，分别于２００３年、２００５年、２００８年获得理学学士、教育学硕士、教育学博士学位。现任北京师范大化学学院讲师，研究方向为化学教育和科学教育。
摘要 对蜡烛在微重力条件下是否能够燃烧有不同的预测结果，从对流、
扩散和反应引发３个角度讨论了预测微重力状态下蜡烛能否燃烧的思路。引用美国航空航天局、中国科学院和哈尔滨工程大学等的实验研究证据，说明在微重力环境中蜡烛可以持续燃烧，以及蜡烛微重力燃烧时火焰的形状、颜色、大小和温度等特点。介绍使用摄像机实际拍摄蜡烛微重力燃烧现象的方法。
关键词 蜡烛燃烧 微重力 火焰
蜡烛燃烧是初中化学课程中一个核心的探究活
１］
，在该活动中，许多老师会留给学生一个有趣动［
的问题：“蜡烛在太空中能否燃烧？如果能，会如
”这个问题能够很好地激发学生的好奇心何燃烧？
与兴趣，但是关于这一问题的答案却存在争议，已有多篇文章讨论蜡烛在微重力条件下能或不能燃烧的原因。本文通过分析已有文章及一些预测蜡烛能否燃烧的思路，并引用相关的实验证据，澄清这一有趣的问题，以供教学参考。
的。也有观点认为，单独的扩散运动是低效的，不
３，４］
。足以维持蜡烛的燃烧［
１．３ 从反应引发的角度进行分析
，反应的发生都需要跨过一定的能垒（活化能）这就是为什么蜡烛放置在空气中不会自动燃烧的原
因。只有用火柴点燃，将反应引发，才能发生。那么，为什么蜡烛只需要点燃一次，就能够持续燃烧下去呢？是因为该反应放出的热量可以继续引发后续反应不断进行。如果在失重条件下，蜡烛被点燃，仅通过扩散燃烧的效率必然没有地球上借助对流燃烧的效率高。所以蜡烛有可能持续地缓慢燃烧；也有可能由于扩散燃烧产生的热不足以引发后续反应的发生而无法持续燃烧。
整合以上３个角度的分析，对蜡烛失重燃烧的预测有２种可能：一是可以通过扩散燃烧形成球形火焰，但迅速熄灭；二是可以通过扩散燃烧形成持续的火焰，但不如在正常重力条件下剧烈。
１ 对微重力状态下蜡烛能否燃烧的预测
思路
１．１ 从对流的角度进行分析
蜡烛在地球上燃烧时，由于气体的对流作用，氧气能够很好地与反应物混合，因此蜡烛可以稳定燃烧，并形成拉长的火焰。在失重条件下，空气不再受到重力。蜡烛燃烧时，热空气不能上升，冷空气也无法下降，蜡烛周围被燃烧产生的热气体包围，
］２
。因而反应物不能得到氧气的补充，很快会熄灭［１．２ 从扩散的角度进行分析
地球上，有对流存在，可加速蜡烛的燃烧。在失重状态下，尽管没有对流，但气体由高浓度向低浓度的扩散应该依然存在。燃烧产物ＣＯ２等向环境中扩散，环境中的Ｏ２向反应物中扩散。依靠扩散机制，蜡烛也有可能燃烧。如果蜡烛在微重力状态下仅靠扩散可以持续燃烧，则火焰应该是球形
：ｗａｉｌｅｉｒｕｉｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ＊通讯联系人，Ｅ－ｍ＠ｂ
２ 微重力状态下蜡烛燃烧的相关实验研究
２．１ 来自美国航空航天局（ＮＡＳＡ）的研究
１９９２年，哥伦比亚号航天飞机在执行ＳＴＳ５０－任务中，进行了微重力实验（ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓＭｉ －
，Ｕ，此次微重力ｃｒｏｒａｖｉｔＬａｂｏｒａｔｏｒＩＳＭＬ１）－－ｇｙｙ
实验中包含蜡烛微重力燃烧实验（ＣａｎｄｌｅＦｌａｍｅｓ
［］５
，Ｃ。该实验的目的是为ｉｎＭｉｃｒｏｒａｖｉｔＦＭ－１） ｇｙ
蜡烛）是否可以在纯扩散或极其了检验带芯火焰（
微弱的对流环境中燃烧，研究在这一条件下燃烧速率、火焰形状、颜色，以及研究２个靠得很近的扩散火焰之间的相互影响等。航天员点燃了１０根单蜡烛，实验中蜡烛已经表现出在微重力状态下燃烧的基本特征（此前，在ＮＡＳＡ的ＧｌｅｎｎＲｅｓｅａｒｃｈ
．２ｓ的落塔，及日本的Ｃｅｎｔｅｒ的落体时间为５
。ＪＡＭＩＣ的１０ｓ落塔中均进行过微重力燃烧实验）
除了１根蜡烛燃烧了１０５ｓ熄灭外，其余的蜡烛在４０～６０ｓ熄灭。在本次实验中，蜡烛并没有燃烧完全，科学家推测是由于盒子中的氧气被消耗而熄灭。如果空间足够大，氧气充足，可以使蜡烛燃烧完全。
１９９６年，ＮＡＳＡ重新设计并在俄罗斯和平号
［］
空间站（ＭＩＲ）上实施了实验ＣＦＭ ＭＩＲ６，宇航员点燃了近８０根蜡烛，再次进行了蜡烛微重力燃烧实验。由于提供了充足的空气，本次实验所有蜡烛稳定燃烧的时间均长于ＣＦＭ－１实验。ＣＦＭ ＭＩＲ实验中蜡烛燃烧的时间从１００ｓ到４５ｍｉｎ不等。烛芯越粗，燃烧时间越短，反之时间越长。ＣＦＭＭＩＲ实验的装置如图１所示，该实验现象的视频
［］
可在ＮＡＳＡ网站７上下载
。
统，该实验系统可以提供０．６ｓ的微重力时间。借
助视频采集系统，能够实现视频的同步传输与视频信息的采集，从而可以对所采集的信息进行观察与分析。实验中能够比较明显地观察到点燃的蜡烛火焰形状发生的变化以及蜡烛火焰颜色变蓝等现象。
３ 微重力状态下蜡烛燃烧的现象及火焰的
特点
通过国内外的研究发现，在微重力环境中蜡烛是可以持续燃烧的。
３．１ 火焰的形状
在微重力状态下由于自然对流的消失，新鲜空气（氧气）的供应仅靠扩散机制，火焰为淡蓝色的半球
［］５
。在失重情况下，火焰直径更大，火形（图２右）
焰距离烛芯的距离更远，这意味着火焰向蜡烛反馈的热量更小，蜡烛熔化的速度更慢。火焰的直径和高度为时间的函数，直径和高度随时间而增大。烛芯和蜡烛的形状会对火焰的直径和高度产生影响
。
注：由于蜡烛失重燃烧时火焰亮度很弱，
右图照片为延长曝光时间拍摄
图２ 蜡烛在正常（左）及失重（右）条件下火焰的形状
图１ ＣＦＭ ＭＩＲ实验设备
２．２ 来自中国科学院的研究
杜文峰等在２２ｍ的落塔中，通过自由落体获得了２．８ｓ的微重力实验时间。实验舱装载激光差分干涉仪、蜡烛、自动点火器、２台摄像机等装置。实验用蜡烛是市场购买的质量较好的产品。蜡烛芯的直径约２ｍｍ，蜡烛直径约１０ｍｍ。实验开始时，首先在地面正常重力状态下利用自动点火器点燃蜡烛，大约３０ｓ后，实验装置进入微重力状态，此时２台摄像机分别记录微重力状态下蜡烛火焰的讯息，以及蜡烛火焰由正常重力状态过渡到微重力状态的动态讯息。研究者观测了微重力状态下蜡烛火焰的颜色、形状、温度等特征，以及氧气浓度对蜡烛燃烧的影响，并建立了微重力蜡烛火焰的
８～１０］
。数学模型，发表了一系列成果［
２．３ 来自哈尔滨工程大学的研究
１１］
毕思思等［为了在大学物理教学中使学生能够深入研究并掌握微重力环境下的现象与规律，他们根据落塔实验原理，搭建了短时微重力实验系
另外，在正常重力下，对流时补充进来的冷空气冷却了烛身顶部的外围，形成杯子的形状，蜡油
烛杯”里，不轻易流下来。而在微重力条储存在“
件下，烛身顶部成突起状，熔化的烛油由于表面张
［１２］
力包裹在突起的固态蜡的外围（图３中用白线勾
。画的部分）
图３ 蜡烛失重燃烧不形成“烛杯”
３．２ 火焰颜色
蜡烛失重燃烧时火焰的主体为淡蓝色，主要来
［１３］
。烛芯的上部区域自ＣＨ·和Ｃ２·的分子光谱
有黄色亮核，这一区域温度最高。从黄色亮核区域向下，由于火焰要发挥向蜡烛供热的作用使火焰温度下降，因此火焰并非完全的球形对称。８～１０ｓ后，黄色消失，火焰变为蓝色半球形，半径约为１．５ｃｍ。然后继续重复出现黄色和黄色消失的过
５］
。黄色亮核的产生与蜡油的聚程，直到蜡烛熄灭［
６］
。可能的原因为蜡油集及坍塌有关，如图４所示［
坍塌前燃料供应更加充足，此时有碳颗粒生成。
３．３ 火焰的大小
／将火焰的直径Ｄ、高度Ｈ和２者的比值ＨＤ
，Ｈ与Ｄ的变化规律在不同对时间作图（图５左）
蜡烛的燃烧中表现出很好的复现性。在ＣＦＭ ＭＩＲ实验中，火焰在前７５ｓ内大小（Ｄ与Ｈ）一直在增加。７５ｓ时由于蜡油坍塌，Ｄ与Ｈ都出现波动。之后Ｈ与Ｄ几乎是稳定的，直到蜡烛熄灭
。
［６］
图４ 蜡油坍塌前（左）与坍塌后（右）蜡烛火焰颜色的变化
ＦＭ ＭＩＲ实验还探讨了烛芯粗细与火焰大小 Ｃ
的关系。正如预期的那样，烛芯越粗，火焰直径越大。３种不同粗细烛芯的蜡烛在微重力环境中，火焰的直径与时间的关系如图５右所示。通过对蜡烛的燃烧速率进行测定表明微重力情况下燃烧速率减慢：在正常重力情况下，３种不同粗细烛芯的蜡烛
／／燃烧速率分布在０．９ｍｓ至１．４ｍｓ区间；
在微ｇｇ
、直径Ｄ与灯芯粗细（图５ 火焰直径Ｄ与高度Ｈ（左）右）之间的关系
／重力情况下，燃烧速率分布在０最细的．２ｍｓ（ｇ
／烛芯）至０最粗的烛芯）区间。．６ｍｓ（ｇ３．４ 火焰的温度
杜文峰等绘制了微重力环境中蜡烛火焰不同部
［９］）。在静止的微重力环境中，位的温度曲线（图６温度的径向分布图仍然为双峰形状，但火焰的温度
要低于正常重力环境中的温度，火焰的半径则明显增大。这是由于在微重力环境中，自然对流消失，化学反应速度受到各种组分扩散速度的控制，从而导致蜡烛火焰温度降低。这也部分证实了微重力环境中由于火焰温度较低致使发烟量小（通常认为超。过１３００Ｋ才有碳颗粒生成）
图７、 在一个切面内蜡烛火焰的温度分布图（
）能够更直观地表示出火焰不同部位温度的差图８
异。在Ｏ１％的环境气体中，蜡烛火焰温２浓度为２
［１０］度分布如图７所示，最高温度为１２４２Ｋ
。
图７ 微重力蜡烛火焰的温度分布（２１％Ｏ２）
当Ｏ３％时的蜡烛火焰温度分布２浓度提高到２
［１４］
图如图８所示，与Ｏ１％的实验结果相２浓度为２
比，蜡烛火焰的温度明显提高，最高温度达到１６００Ｋ，这时有碳颗粒生成，火焰中心会出现黄色。
图６ 微重力环境中不同位置径向温度分布
３．５ 燃烧现象与氧气浓度的关系
杜文峰等在氧气体积浓度为２５％、２１％和
·１１８·化 学 教 育 ２０１２年第９期
图９ 蜡烛微重力燃烧的简易装置（左）及现象（右）
究？这样的研究有意义吗？我们想说的是这些都很有意义！首先，好奇心与兴趣是科学探索的驱动
图８ 微重力蜡烛火焰的温度分布（２３％Ｏ２）
力，科学的本质即为探寻未知。科学探索来源于问
［８］
１９％３种情况下进行了实验，并得出以下结论：当氧气浓度为２５％时，无论在正常重力状态还是在微重力状态，蜡烛火焰都是亮黄色；当氧气浓度为２１％时，在微重力状态下蜡烛火焰起初是亮黄色，然后逐渐地变成暗蓝色；当氧气浓度为１９％时，在微重力状态下蜡烛火焰的颜色很快变成暗蓝色。也就是在微重力状态下，氧气的浓度越稀，蜡烛火焰颜色就越迅速地变成暗蓝色。由此可知，在微重力状态下蜡烛火焰的颜色究竟是亮黄色还是暗蓝色与周围环境中氧气的浓度密切相关。
题，只有对日常事物充满无限的好奇心和兴趣，不断地追问，才能够提出有探索价值的问题。其次，该研究成果也具有很多现实意义，微重力条件下的燃烧研究能够加深对地面燃烧过程的认识，增强对载人航天器火灾安全问题的理解，这２个方面一直
１５］
。总之，科是推动微重力燃烧研究的重要动力［
，问题恰小问题”学探究不能忽视生活中的任何“
恰来源于学生对身边现象细微之处的留心观察，好奇心与兴趣永远是科学探索的最好的引导员！
参 考 文 献
［］ 胡美玲．义务教育课程标准实验教科书：化学（九年级上１
册）．北京：人民教育出版社，２００６：１２－１３
［］ 张少彬，姚新军．物理通报，２）：４２００３，（１２４［］ 金逊．数理天地（，２）：４高中版）３００４，（１５－４６［］ 刘川浩．小雪花（）：１小学生成长指南），２４００６，（１００［：／／／５］ ＮＡＳＡ．ＵＳＭＬ１Ｒｅｓｕｌｔｓ．ｈｔｔｍｉｃｒｏｒａｖｉｔ．ｒｃ．ｎａｓａ．ｏｖ－ｐｇｙｇｇ
／／ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｃｆｍｕｓｍｌ１＿ｒｅｓｕｌｔｓ．ｈｔｍ．２００６－１１－１７－
［：／／／６］ ＮＡＳＡ．ＭＩＲＲｅｓｕｌｔｓ．ｈｔｔｍｉｃｒｏｒａｖｉｔ．ｒｃ．ｎａｓａ．ｏｖ ｐｇｙｇｇ
／／ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｃｆｍｍｉｒ＿ｒｅｓｕｌｔｓ．ｈｔｍ．２００６－１１－１４
［：／／７］ ＮＡＳＡ．ＣａｎｄｌｅＦｌａｍｅｓｉｎＭｉｃｒｏｒａｖｉｔＶｉｄｅｏ．ｈｔｔ ｇｙｐ
／？ｐｍｉｘ．ｍｓｆｃ．ｎａｓａ．ｏｖａｂｓｔｒａｃｔｓ．ｈ＝３８９４ｇｐｐ
［］ 杜文锋，张孝谦，韦明罡等．工程热物理学报，２）：８０００，（４
５１５－５１９
［］ 杜文锋，张孝谦，韦明罡等．燃烧科学与技术，２）：９０００，（２
１２９－１３２
［］ 杜文锋，孔文俊，张孝谦．燃烧科学与技术，２：１０００２，（３）
２０２－２０６
［］ 毕思思，赵浩宇，苑立波．大学物理，２）：３１１０１０，（６０－３２［］ ＮＡ：／／１２ＳＡ．Ｎｏｔｕｓｔｎｏｔｈｅｒｌｄｌａｍｅ．ｈｔｔ Ｊ Ａ Ｏ Ｆｐ
／／／ｓｃｉｅｎｃｅ．ｎａｓａ．ｏｖｈｅａｄｌｉｎｅｓ２０００ａｓｔ１２ｍａ１．ｈｔｍ．２０００ｇｙｙ＿－０５－１２
［］ Ｋ：／／１３ｌａｕｓＲｏｔｈ．ＣｈｅｍｉｓｔｒｏｆｔｈｅＣｈｒｉｓｔｍａｓＣａｎｄｌｅ．ｈｔｔ ｙｐ
／／／／ｗｗｗ．ｃｈｅｍｉｓｔｒｖｉｅｗｓ．ｏｒｄｅｔａｉｌｓｅｚｉｎｅ１４０６００１Ｃｈｅｍｉｓ－ｙｇｔｒｏｆ＿ｔｈｅ＿Ｃｈｒｉｓｔｍａｓ＿Ｃａｎｄｌｅ＿＿Ｐａｒｔ＿３．ｈｔｍｌ．２０１１ｙ＿－１１－０２
［］ Ｐ１４ａｕｌＦｅｒｋｕｌｅｔａｌ．ＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＥｘｅｒｉｍｅｎｔｓＯｎＴｈｅＭＩＲ ｐ
：／／／／Ｓａｃｅｔａｔｉｏｎ．ｈｔｔｈｉｓｔｏｒ．ｎａｓａ．ｏｖＳＰ－４２２５ｓｃｉ Ｓ－ｐｐｙｇ／ｅｎｃｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ．ｄｆｐ
［］ 张夏．力学进展，２）：５１５００４，（４０７－５２８
４ 蜡烛微重力燃烧实验的简易装置及现象
读完上面的段落，有的读者可能会好奇：我们能否亲自观察一下蜡烛失重燃烧的现象呢？答案是肯定的，而且实验过程非常简单。笔者将蜡烛和摄，点燃蜡烛，像机固定在鞋盒的一侧（如图９左）启动摄像机，关闭鞋盒的盖子，然后将鞋盒举起，再松手使鞋盒落下，摄像机便可录制蜡烛失重燃烧时的现象。为了避免摄像机受损，可在鞋盒下落过程中用双手轻轻接触鞋盒的两侧，并于鞋盒落地前用双手夹住鞋盒。由于高度限制，这个落体的时间非常短暂，但实验结果足以让人兴奋。将录制的视频拷入电脑，慢速播放，便可以观察到落体瞬间蜡。如图９右）烛的火焰变成半球形（
该实验中所观察到的半球形火焰以及火焰中间的黄色亮核与ＮＡＳＡ和杜文峰等的实验结果一致。不同之处仅在于黄色亮核外围的淡蓝色比ＮＡＳＡ的照片要微弱，造成２者差异的原因可能有：①实验条件的影响，与ＮＡＳＡ在太空中的实验相比，从重力环境到实验条件控制都存在不同；②随着燃烧的进行亮黄色区域会逐渐变小，因本实验落体时间很短暂，获得的只是初始亮黄色区域还较大时的现象；③家用摄像机的敏感度也会影响拍摄的现象。
５ 结语
蜡烛燃烧这样一个看似十分简单的问题，为什么有那么多科学家不遗余力、
不惜花重金去进行研
问题讨论与思考
一个有趣的驱动性问题
———蜡烛在太空中能否燃烧
魏 锐１＊ 黄 婷２ 杨晶晶３
（）北京师范大学化学学院 １云南昆明市第一中学 ６北京１１．００８７５；２．５００３１；３．０１中学 １０００９１
，男，汉族，河南濮阳人。１１９８１－）９９９年进入北京师范大化学学 魏锐（
院学习，分别于２００３年、２００５年、２００８年获得理学学士、教育学硕士、教育学博士学位。现任北京师范大化学学院讲师，研究方向为化学教育和科学教育。
摘要 对蜡烛在微重力条件下是否能够燃烧有不同的预测结果，从对流、
扩散和反应引发３个角度讨论了预测微重力状态下蜡烛能否燃烧的思路。引用美国航空航天局、中国科学院和哈尔滨工程大学等的实验研究证据，说明在微重力环境中蜡烛可以持续燃烧，以及蜡烛微重力燃烧时火焰的形状、颜色、大小和温度等特点。介绍使用摄像机实际拍摄蜡烛微重力燃烧现象的方法。
关键词 蜡烛燃烧 微重力 火焰
蜡烛燃烧是初中化学课程中一个核心的探究活
１］
，在该活动中，许多老师会留给学生一个有趣动［
的问题：“蜡烛在太空中能否燃烧？如果能，会如
”这个问题能够很好地激发学生的好奇心何燃烧？
与兴趣，但是关于这一问题的答案却存在争议，已有多篇文章讨论蜡烛在微重力条件下能或不能燃烧的原因。本文通过分析已有文章及一些预测蜡烛能否燃烧的思路，并引用相关的实验证据，澄清这一有趣的问题，以供教学参考。
的。也有观点认为，单独的扩散运动是低效的，不
３，４］
。足以维持蜡烛的燃烧［
１．３ 从反应引发的角度进行分析
，反应的发生都需要跨过一定的能垒（活化能）这就是为什么蜡烛放置在空气中不会自动燃烧的原
因。只有用火柴点燃，将反应引发，才能发生。那么，为什么蜡烛只需要点燃一次，就能够持续燃烧下去呢？是因为该反应放出的热量可以继续引发后续反应不断进行。如果在失重条件下，蜡烛被点燃，仅通过扩散燃烧的效率必然没有地球上借助对流燃烧的效率高。所以蜡烛有可能持续地缓慢燃烧；也有可能由于扩散燃烧产生的热不足以引发后续反应的发生而无法持续燃烧。
整合以上３个角度的分析，对蜡烛失重燃烧的预测有２种可能：一是可以通过扩散燃烧形成球形火焰，但迅速熄灭；二是可以通过扩散燃烧形成持续的火焰，但不如在正常重力条件下剧烈。
１ 对微重力状态下蜡烛能否燃烧的预测
思路
１．１ 从对流的角度进行分析
蜡烛在地球上燃烧时，由于气体的对流作用，氧气能够很好地与反应物混合，因此蜡烛可以稳定燃烧，并形成拉长的火焰。在失重条件下，空气不再受到重力。蜡烛燃烧时，热空气不能上升，冷空气也无法下降，蜡烛周围被燃烧产生的热气体包围，
］２
。因而反应物不能得到氧气的补充，很快会熄灭［１．２ 从扩散的角度进行分析
地球上，有对流存在，可加速蜡烛的燃烧。在失重状态下，尽管没有对流，但气体由高浓度向低浓度的扩散应该依然存在。燃烧产物ＣＯ２等向环境中扩散，环境中的Ｏ２向反应物中扩散。依靠扩散机制，蜡烛也有可能燃烧。如果蜡烛在微重力状态下仅靠扩散可以持续燃烧，则火焰应该是球形
：ｗａｉｌｅｉｒｕｉｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ＊通讯联系人，Ｅ－ｍ＠ｂ
２ 微重力状态下蜡烛燃烧的相关实验研究
２．１ 来自美国航空航天局（ＮＡＳＡ）的研究
１９９２年，哥伦比亚号航天飞机在执行ＳＴＳ５０－任务中，进行了微重力实验（ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓＭｉ －
，Ｕ，此次微重力ｃｒｏｒａｖｉｔＬａｂｏｒａｔｏｒＩＳＭＬ１）－－ｇｙｙ
实验中包含蜡烛微重力燃烧实验（ＣａｎｄｌｅＦｌａｍｅｓ
［］５
，Ｃ。该实验的目的是为ｉｎＭｉｃｒｏｒａｖｉｔＦＭ－１） ｇｙ
蜡烛）是否可以在纯扩散或极其了检验带芯火焰（
微弱的对流环境中燃烧，研究在这一条件下燃烧速率、火焰形状、颜色，以及研究２个靠得很近的扩散火焰之间的相互影响等。航天员点燃了１０根单蜡烛，实验中蜡烛已经表现出在微重力状态下燃烧的基本特征（此前，在ＮＡＳＡ的ＧｌｅｎｎＲｅｓｅａｒｃｈ
．２ｓ的落塔，及日本的Ｃｅｎｔｅｒ的落体时间为５
。ＪＡＭＩＣ的１０ｓ落塔中均进行过微重力燃烧实验）
除了１根蜡烛燃烧了１０５ｓ熄灭外，其余的蜡烛在４０～６０ｓ熄灭。在本次实验中，蜡烛并没有燃烧完全，科学家推测是由于盒子中的氧气被消耗而熄灭。如果空间足够大，氧气充足，可以使蜡烛燃烧完全。
１９９６年，ＮＡＳＡ重新设计并在俄罗斯和平号
［］
空间站（ＭＩＲ）上实施了实验ＣＦＭ ＭＩＲ６，宇航员点燃了近８０根蜡烛，再次进行了蜡烛微重力燃烧实验。由于提供了充足的空气，本次实验所有蜡烛稳定燃烧的时间均长于ＣＦＭ－１实验。ＣＦＭ ＭＩＲ实验中蜡烛燃烧的时间从１００ｓ到４５ｍｉｎ不等。烛芯越粗，燃烧时间越短，反之时间越长。ＣＦＭＭＩＲ实验的装置如图１所示，该实验现象的视频
［］
可在ＮＡＳＡ网站７上下载
。
统，该实验系统可以提供０．６ｓ的微重力时间。借
助视频采集系统，能够实现视频的同步传输与视频信息的采集，从而可以对所采集的信息进行观察与分析。实验中能够比较明显地观察到点燃的蜡烛火焰形状发生的变化以及蜡烛火焰颜色变蓝等现象。
３ 微重力状态下蜡烛燃烧的现象及火焰的
特点
通过国内外的研究发现，在微重力环境中蜡烛是可以持续燃烧的。
３．１ 火焰的形状
在微重力状态下由于自然对流的消失，新鲜空气（氧气）的供应仅靠扩散机制，火焰为淡蓝色的半球
［］５
。在失重情况下，火焰直径更大，火形（图２右）
焰距离烛芯的距离更远，这意味着火焰向蜡烛反馈的热量更小，蜡烛熔化的速度更慢。火焰的直径和高度为时间的函数，直径和高度随时间而增大。烛芯和蜡烛的形状会对火焰的直径和高度产生影响
。
注：由于蜡烛失重燃烧时火焰亮度很弱，
右图照片为延长曝光时间拍摄
图２ 蜡烛在正常（左）及失重（右）条件下火焰的形状
图１ ＣＦＭ ＭＩＲ实验设备
２．２ 来自中国科学院的研究
杜文峰等在２２ｍ的落塔中，通过自由落体获得了２．８ｓ的微重力实验时间。实验舱装载激光差分干涉仪、蜡烛、自动点火器、２台摄像机等装置。实验用蜡烛是市场购买的质量较好的产品。蜡烛芯的直径约２ｍｍ，蜡烛直径约１０ｍｍ。实验开始时，首先在地面正常重力状态下利用自动点火器点燃蜡烛，大约３０ｓ后，实验装置进入微重力状态，此时２台摄像机分别记录微重力状态下蜡烛火焰的讯息，以及蜡烛火焰由正常重力状态过渡到微重力状态的动态讯息。研究者观测了微重力状态下蜡烛火焰的颜色、形状、温度等特征，以及氧气浓度对蜡烛燃烧的影响，并建立了微重力蜡烛火焰的
８～１０］
。数学模型，发表了一系列成果［
２．３ 来自哈尔滨工程大学的研究
１１］
毕思思等［为了在大学物理教学中使学生能够深入研究并掌握微重力环境下的现象与规律，他们根据落塔实验原理，搭建了短时微重力实验系
另外，在正常重力下，对流时补充进来的冷空气冷却了烛身顶部的外围，形成杯子的形状，蜡油
烛杯”里，不轻易流下来。而在微重力条储存在“
件下，烛身顶部成突起状，熔化的烛油由于表面张
［１２］
力包裹在突起的固态蜡的外围（图３中用白线勾
。画的部分）
图３ 蜡烛失重燃烧不形成“烛杯”
３．２ 火焰颜色
蜡烛失重燃烧时火焰的主体为淡蓝色，主要来
［１３］
。烛芯的上部区域自ＣＨ·和Ｃ２·的分子光谱
有黄色亮核，这一区域温度最高。从黄色亮核区域向下，由于火焰要发挥向蜡烛供热的作用使火焰温度下降，因此火焰并非完全的球形对称。８～１０ｓ后，黄色消失，火焰变为蓝色半球形，半径约为１．５ｃｍ。然后继续重复出现黄色和黄色消失的过
５］
。黄色亮核的产生与蜡油的聚程，直到蜡烛熄灭［
６］
。可能的原因为蜡油集及坍塌有关，如图４所示［
坍塌前燃料供应更加充足，此时有碳颗粒生成。
３．３ 火焰的大小
／将火焰的直径Ｄ、高度Ｈ和２者的比值ＨＤ
，Ｈ与Ｄ的变化规律在不同对时间作图（图５左）
蜡烛的燃烧中表现出很好的复现性。在ＣＦＭ ＭＩＲ实验中，火焰在前７５ｓ内大小（Ｄ与Ｈ）一直在增加。７５ｓ时由于蜡油坍塌，Ｄ与Ｈ都出现波动。之后Ｈ与Ｄ几乎是稳定的，直到蜡烛熄灭
。
［６］
图４ 蜡油坍塌前（左）与坍塌后（右）蜡烛火焰颜色的变化
ＦＭ ＭＩＲ实验还探讨了烛芯粗细与火焰大小 Ｃ
的关系。正如预期的那样，烛芯越粗，火焰直径越大。３种不同粗细烛芯的蜡烛在微重力环境中，火焰的直径与时间的关系如图５右所示。通过对蜡烛的燃烧速率进行测定表明微重力情况下燃烧速率减慢：在正常重力情况下，３种不同粗细烛芯的蜡烛
／／燃烧速率分布在０．９ｍｓ至１．４ｍｓ区间；
在微ｇｇ
、直径Ｄ与灯芯粗细（图５ 火焰直径Ｄ与高度Ｈ（左）右）之间的关系
／重力情况下，燃烧速率分布在０最细的．２ｍｓ（ｇ
／烛芯）至０最粗的烛芯）区间。．６ｍｓ（ｇ３．４ 火焰的温度
杜文峰等绘制了微重力环境中蜡烛火焰不同部
［９］）。在静止的微重力环境中，位的温度曲线（图６温度的径向分布图仍然为双峰形状，但火焰的温度
要低于正常重力环境中的温度，火焰的半径则明显增大。这是由于在微重力环境中，自然对流消失，化学反应速度受到各种组分扩散速度的控制，从而导致蜡烛火焰温度降低。这也部分证实了微重力环境中由于火焰温度较低致使发烟量小（通常认为超。过１３００Ｋ才有碳颗粒生成）
图７、 在一个切面内蜡烛火焰的温度分布图（
）能够更直观地表示出火焰不同部位温度的差图８
异。在Ｏ１％的环境气体中，蜡烛火焰温２浓度为２
［１０］度分布如图７所示，最高温度为１２４２Ｋ
。
图７ 微重力蜡烛火焰的温度分布（２１％Ｏ２）
当Ｏ３％时的蜡烛火焰温度分布２浓度提高到２
［１４］
图如图８所示，与Ｏ１％的实验结果相２浓度为２
比，蜡烛火焰的温度明显提高，最高温度达到１６００Ｋ，这时有碳颗粒生成，火焰中心会出现黄色。
图６ 微重力环境中不同位置径向温度分布
３．５ 燃烧现象与氧气浓度的关系
杜文峰等在氧气体积浓度为２５％、２１％和
·１１８·化 学 教 育 ２０１２年第９期
图９ 蜡烛微重力燃烧的简易装置（左）及现象（右）
究？这样的研究有意义吗？我们想说的是这些都很有意义！首先，好奇心与兴趣是科学探索的驱动
图８ 微重力蜡烛火焰的温度分布（２３％Ｏ２）
力，科学的本质即为探寻未知。科学探索来源于问
［８］
１９％３种情况下进行了实验，并得出以下结论：当氧气浓度为２５％时，无论在正常重力状态还是在微重力状态，蜡烛火焰都是亮黄色；当氧气浓度为２１％时，在微重力状态下蜡烛火焰起初是亮黄色，然后逐渐地变成暗蓝色；当氧气浓度为１９％时，在微重力状态下蜡烛火焰的颜色很快变成暗蓝色。也就是在微重力状态下，氧气的浓度越稀，蜡烛火焰颜色就越迅速地变成暗蓝色。由此可知，在微重力状态下蜡烛火焰的颜色究竟是亮黄色还是暗蓝色与周围环境中氧气的浓度密切相关。
题，只有对日常事物充满无限的好奇心和兴趣，不断地追问，才能够提出有探索价值的问题。其次，该研究成果也具有很多现实意义，微重力条件下的燃烧研究能够加深对地面燃烧过程的认识，增强对载人航天器火灾安全问题的理解，这２个方面一直
１５］
。总之，科是推动微重力燃烧研究的重要动力［
，问题恰小问题”学探究不能忽视生活中的任何“
恰来源于学生对身边现象细微之处的留心观察，好奇心与兴趣永远是科学探索的最好的引导员！
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４ 蜡烛微重力燃烧实验的简易装置及现象
读完上面的段落，有的读者可能会好奇：我们能否亲自观察一下蜡烛失重燃烧的现象呢？答案是肯定的，而且实验过程非常简单。笔者将蜡烛和摄，点燃蜡烛，像机固定在鞋盒的一侧（如图９左）启动摄像机，关闭鞋盒的盖子，然后将鞋盒举起，再松手使鞋盒落下，摄像机便可录制蜡烛失重燃烧时的现象。为了避免摄像机受损，可在鞋盒下落过程中用双手轻轻接触鞋盒的两侧，并于鞋盒落地前用双手夹住鞋盒。由于高度限制，这个落体的时间非常短暂，但实验结果足以让人兴奋。将录制的视频拷入电脑，慢速播放，便可以观察到落体瞬间蜡。如图９右）烛的火焰变成半球形（
该实验中所观察到的半球形火焰以及火焰中间的黄色亮核与ＮＡＳＡ和杜文峰等的实验结果一致。不同之处仅在于黄色亮核外围的淡蓝色比ＮＡＳＡ的照片要微弱，造成２者差异的原因可能有：①实验条件的影响，与ＮＡＳＡ在太空中的实验相比，从重力环境到实验条件控制都存在不同；②随着燃烧的进行亮黄色区域会逐渐变小，因本实验落体时间很短暂，获得的只是初始亮黄色区域还较大时的现象；③家用摄像机的敏感度也会影响拍摄的现象。
５ 结语
蜡烛燃烧这样一个看似十分简单的问题，为什么有那么多科学家不遗余力、
不惜花重金去进行研