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1、第 29 卷（总第 82 期）!第29 卷 第 3 期广西民族师范学院学报JOURNAL OF GUANGXI NORMAL UNIVERSITY FOR NATIONALITIESVol.29 No.3May.20122012 年 5 月物理电子、机术纸箱吐烟圈实验中烟圈形成原理探析余小英（广西民族师范学院 物理与电子工程系，广西 崇左 532200）摘要：纸箱吐烟圈是趣味物理演示实验之一。用实验研究影响烟圈形成的因素，从物理学角度解释了纸箱吐烟圈的成因。并探究纸箱吐烟圈的威力与纸箱大小、纸箱开口形状的关系。关键词：趣味物理；烟圈；纸箱；伯努利原理中图分类号：O4-33文献标识码：A文章编号
2、：1674-8891（2012）03-0027-03Analysis on the Principle of Forming Smoke RingYU Xiao-ying（Department of Physics and Electronic Engineering, Guangxi Normal University for Nationalities, Guangxi Chongzuo, 532200）Abstract: Experiments are studied to explain the reasons and factors which affect the forming
3、of smoke rings from the point of science and are analyzed the relationship between the size of the carton and the shape of it.Key words:interesting physics, smoke ring, carton, Bernoulli principle引言1制作纸箱烟圈喷射器纸箱吐烟圈 是趣味物理 演示实验中 学生比较感兴趣的项目之一。把一个只有一个开口的纸箱平 放在桌面上，利用香烟、蚊香之类的东西，使纸箱里 充满烟雾，表演者用手拍打纸箱的任一面或同时拍
4、打纸箱的两侧，在纸箱开口处就有一股强劲的气流 喷射出来，在深色背景上很容易看到喷射出来的烟雾形成一个中空的圆圈，如图 1 所示，故称之为纸箱吐烟圈。而且气流喷射时，有如一个空气炮弹，能 吹灭两米甚至更远远的蜡烛，如图 2 所示。似乎不 论纸箱开口形状如何，吐出来的烟圈都是圆圈，这 让许多观察者甚至实验者都觉得奇怪。为解释这一 问题，笔者通过实验探究烟圈形成原理。材料：空纸箱几个、蚊香数支或香烟数支、蜡烛几根、尖头剪刀一把。制作过程：选几个不同大 小且较新的 纸箱（为 了保证气密性和弹性），用透明胶将纸箱角落密封 好，在空纸箱的某一侧面中间用尖头剪刀开一小圆 孔，直径约 3 厘米。图 2 纸箱吹
5、蜡2纸箱吐烟圈实验演示将制作好的纸箱烟圈喷射器放在桌面上，接着利用蚊香或香烟产生的烟雾使纸箱内充满烟雾，用手轻拍打纸箱的后背面，烟雾就会从纸箱口吐出，图 1 烟圈形状图收稿日期：2012-01-11基金项目：2010 广西新世纪教改工程项目（编号：2010JGA089）；广西民族师范学院校级课题（编号：JG201011）。作者简介：余小英（1972-），女，壮族，广西隆安县人，广西民族师范学院副教授，硕士。主要研究方向：大学物理实验研究。、械与工程技3.1纸箱的体积为了探究纸箱的体积对烟圈的影响，笔者选几 个不同大小的纸箱来做实验。结果发现，纸箱的体 积会影响烟圈的喷射的射程，体积较大的纸箱可
6、以 形成一股强大的气流，烟圈喷射的射程较远，能吹 熄的蜡烛也较多。3.2纸箱开口的形状为了探究纸箱开口的形状对烟圈的影响，笔者 用同一纸箱进行实验。具体做法是：先在纸箱的一 个侧面开一个比较大的孔，然后用薄纸片做成开口 面积相同而开口形状不同，如圆形、长方形、正方形 和三角形。实验发现，最容易形成烟圈的形状是圆 形开口，依次是正方形、正三角形、长方形，但只要 纸箱吐出来的烟雾能形成烟圈，必然是中空的圆形 烟圈，跟开口形状无关。而且笔者在实验中还发现， 条状或缝状的开口很难形成烟圈。为此，笔者以长 方形的开口为例，经过实验研究发现，在确保开口面积不变 的 情 况 下 ， 当 长 方 形 的 长
7、宽 比 接 近 2：1时，纸箱吐出的烟雾很难形成烟圈。3.3纸箱的开口面积通过实验，笔者发现，要想 让纸箱吐出 来的烟 雾形成烟圈，纸箱的开口面积要适中。纸箱体积越 小，开口面积也越小。反之，纸箱的开口面积越大， 对应的纸箱面积也应越大。对于同样体积的纸箱。 开口过小，拍打纸箱时，烟雾从小孔喷射的速度过（a）（b）烟圈形成示意图（c）图 3黑色圆点代表烟气分子；白色圆点代表空气分子4.2烟圈中空的原因如果仔细观察，就会发现每个烟圈上的烟都在迅速地兜着圈子作滚翻运动，还可以发现烟圈并不是实心的，而是中空的。为什么会有这样的结果？笔者从力学的角度加以分析。第 29 卷余小英 纸箱吐烟圈实验中烟圈形
8、成原理探析（总第 82 期）!产生的粘滞阻力，前进得比较缓慢，相对中心气流来说，它们的运动是向后的。此时，由于它们运动速 度较小，该区域的压强较大，由此而产生的压力迫 使它们向中心气流方向且流速最大处靠拢，因而它 们的运动路线就如图 4 箭头所示；而对于靠近气流 中心的烟气分子来说，在中心气流分子的带动下烟 气分子也随着气流向前运动，同时前面空气分子的 阻挡以及扩散运动的原因，使得靠近气流中心的烟气分子从中心朝四周运动。这就使得烟气分子在前进的过程中逐渐偏离中心气流，变成斜向上的曲线 运动。当烟气分子运动到上方时，按照流体力学的 伯努利原理，流速不同而产生的压力促使运动到烟 圈边缘的烟气分子作
9、曲线运动，从烟气团边缘向后 然后回到中心，再从中心向前运动，完成一个在空 中的循环运动。在这样一个持续作用发展的 过程中，烟圈就变成了中空。5结束语纸箱吐烟圈的本质实际上就是压缩气体，使高压气体瞬间从某一开口冲出，从而产生一系列有趣 的现象。在实际生活中，也有利用纸箱吐烟圈原理 做成的工具。（1）空气炮。可用于煤仓、水泥管道的堵塞清理工作，具有安全可靠、能量大、能耗低、噪声小、操作方便的优点；（2）拋绳枪。消防警察使用 的拋绳枪也是利用纸箱吐烟圈的原理制作。也就是 在密闭的气枪里打入空气，当压力累积到某一程度 后，迅速开启出口让气流迅速喷出，利用空气动力 将带有绳索的铁钩抛到较高的建筑物上。（助理编辑：李凡生）
