舞台干冰造雾成因探讨
张前军 史以利
摘? ?要：在“升华和凝华”教学中，经常出现使用干冰模拟舞台干冰机造雾实验，给出的解释通常是：干冰升华产生的较冷二氧化碳气体使空气中的水蒸气液化，液化后小液滴形成了白雾。通过实验对比分析得出干冰造雾的不同成因：干冰在水中吸热急剧升华，产生大量的高速二氧化碳气体使水雾化，雾化后的小液滴随二氧化碳气泡上升到水面破裂后被释放，从而在水面上方形成白雾。
关键词：干冰;造雾;成因探讨
中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2020）8-0051-2
在“升华和凝华”教学中，时常看到教师使用干冰模拟舞台干冰机造雾，将少量干冰放入水中，水面上立即产生大量白雾。对此现象给出的解释通常是：干冰升华，产生较冷的二氧化碳气体，二氧化碳气体在水面上方使空气中的水蒸气遇冷液化，形成了白雾。不难看出，这种解释深受教材中“舞台上经常用干冰制造白雾”解释的影响，教学参考书给出的解释是：舞台上喷撒的干冰，升华时需要从周围的空气中吸收大量的热量，从而使空气中的水蒸气遇冷液化成小液滴，这些小液滴漂浮在空气中就形成了我们看到的所谓的白雾[1]。
对比教学实际和教参解释，可以看出教学中将干冰放入水中形成白雾，认为水的作用有两个：一是作为热源加快干冰升华;二是水通过蒸发为形成白雾提供较多的水蒸气。事实真的如此吗？
1? ? 教学干冰造雾探秘
如图1所示，将干冰放在水面上方空气中，可以看到有少量的白雾形成，这些白雾与将干冰放入水中形成的白雾量相比，基本上可以忽略不计。
如图2所示，如将干冰放入水中，吹开水面白雾，可以看到气泡在上升到水面前已经是奶白色;再将干冰放入水和油中进行对比实验，可以看到右侧油面上没有白雾。这也就是说：在二氧化碳气泡到达水面之前，其内部已经形成了大量白雾，而不是二氧化碳气泡到达水面后使空气中的水蒸气液化形成了白雾。究其成因，是干冰升华释放出的二氧化碳高速气体使周围的水剧烈雾化，雾化后的小液滴随二氧化碳气泡上升到水面。对此，有的老师认为，在二氧化碳气泡内发生了水吸热汽化形成水蒸气，产生的水蒸气又液化放热形成小液滴，从而在二氧化碳气泡内部就有了白雾。显然，在一个较冷的二氧化碳气泡内，水同时发生吸热和放热是个悖论。在教学中，我们也经常发现：将干冰放入玻璃容器中（如试管），会听到嗞鸣声，那是干冰升华放出的二氧化碳气体速度较大，干冰因反冲作用受力不平衡，会不停撞击容器发出声音，经过容器空腔放大而产生明显的嗞鸣声，这从侧面说明了干冰升华放出二氧化碳速度较大足以使水雾化。
将大量干冰放入水中，初始阶段还是能够产生大量白雾，但经过一段时间后，从侧面可以看到水中的气泡是透明的，底部的干冰已经被冰块包裹着，如图3所示，没有再出现少量干冰实验中的大量奶白色气泡，水面上方也比较清晰，没有白雾存在;究其原因，较多干冰制冷效果好，能够使周围的水凝固成小冰层，干冰升华放出的二氧化碳高速气流不再能够使其雾化，从而形成透明的二氧化碳气泡。当干冰全部被冰包裹时，冰层上只有几个气孔在冒气泡。该实验现象也能从侧面也说明干冰造雾的成因是：干冰升华产生的二氧化碳使水雾化。
2? ? 舞台干冰造雾操作
舞台干冰造雾时要先打开干冰机的顶盖，然后向里面加入一定量的水，并设定一定的温度，待水温达到设定的温度后，干冰机会停止加热;打开干冰机的顶盖，加入颗粒状干冰;打开风扇，这时干冰机里会喷出大量的白雾，形成美妙的仙境。在此过程中，干冰机里的水温会下降，需要不斷加热使水温保持在设定的温度，稳定干冰机的造雾效果。
如果将干冰直接撒到舞台上造雾，一方面要消耗大量干冰才能达到使用小量干冰放入水中的效果，性价比较低;另一方面，舞台上的干冰容易溅到演员身上，形成-78 ℃的低温冻伤演员，直接使用干冰造雾很不安全。例如，2012年11月18日宁波一小学校庆，使用干冰造雾操作错误，部分干冰溅到表演的学生身上造成冻伤。
从性价比和安全性角度看，关于舞台干冰造雾教学参考书给出“在舞台上喷撒干冰” 的解释是不实际的，后续的白雾成因解释也就不存在了。
3? ? 干冰造雾教学建议
鉴于以上分析，笔者建议在教材编写中去掉舞台干冰造雾内容，一方面内容解释与实际不符合;另一方面现代舞台造雾已经不再使用干冰，而是使用烟油，其经济性和安全性比使用干冰造雾好的多。
虽然干冰造雾能够带来惊奇的教学氛围，但其成因与本节重点关注的升华现象与吸热条件相关性不大，可以直接放弃此实验，更不能曲解此干冰造雾的成因。
（鸣谢：南京市致远初级中学周伟老师提供图片2）
参考文献：
[1]苏科版物理教材编写组.义务教育教科书物理八年级上册教师教学用书[M].南京：江苏凤凰科学技术出版社，2018.
（栏目编辑? ? 王柏庐）
