是夜 绚烂的烟花将绽放天宇

一、引子

常言说，不出正月都是年。年味尚未散去，又逢元宵佳节。元宵节燃放烟花是人们庆祝节日的传统习俗，源远流长，有诗为证：

七律 · 烟火戏

明 · 瞿佑

天花无数月中开，五采祥云绕绛台。

堕地忽惊星彩散，飞空旋作雨声来。

怒撞玉斗翻晴雪，勇踏金轮起疾雷。

更漏已深人渐散，闹竿挑得彩灯回。

在一声巨响之后，烟花在寂静的夜空中爆开，绽放出美丽的七彩。这种美丽让人们忘却了它绽放时的巨大响声。即便是灰飞烟灭，也是华丽谢幕。长久的等待，焦灼的期盼，迎来的是烟花短暂的绚烂。这种绚烂印刻在了人们的脑海中，沉淀为记忆最深处的美丽。

图1

考虑到物理人眼中的烟花与寻常人眼中的烟花是不一样的，我的同事李大姐特意通过微信分享了一段关于烟花的视频，供我们物理人欣赏、分析和研究。现已经下载归档，纳入了高中物理必修2的教学素材库之中。

视频1

二、烟花的结构

事实上，大多数现代烟花的核心都含有一种可燃的非均质混合物，这种混合物由细粉状化学物质根据需要量身定做混合而成，以生产出想要的烟花。

这些烟花组合物包括有氧化剂（例如氯酸盐、高氯酸盐、硝酸盐和氧化物）、还原剂（例如金属粉末、木炭、硫、硼和有机化合物） 和固体、液体或糊状添加剂。这些添加剂有助于控制焰火燃烧速率，同时又使焰火对可能的意外刺激（如冲击、摩擦和静电放电）不那么敏感。

如图2所示，这些混合物会被压制、铸造、模塑、轧制成小球、圆柱体或立方体，以便在空气中燃烧，并在黑暗的天空中作为明亮的彩色“星星”移动。

图2

这些被称作“星星”的物体还可以包含一些额外的焰火化学物质，这种化学物质在燃烧时将它们分解成碎片，并改变所产生的视觉效果。

如图3所示，这些“星星”和其他两种粉末一起储存在“弹壳”中。其中一种粉末是一种“提升点火”药，将“弹壳”发射到空中。另一种粉末是“爆炸点火”药，它打破“弹壳”，点燃“星星”并把它们向外推。

位于这两者之间的是一列压缩的化学物质，它延缓了从提升火药到爆炸火药的火力传递，从而使“弹壳”在其弹道上的预定点爆炸。该延迟熔断器由提升火药点燃，像香烟一样燃烧，再由其燃烧速率确定间隔时间，然后点燃爆炸火药。

图3

这两个过程，是由两组火药先后爆炸驱动的。除了它们的烟火化学物质外，“弹壳”里还包含了一种提升点火成分、一个延迟引信和一种爆炸点火成分。其中提升火药爆炸让焰火整体做竖直上抛运动，爆炸火药让“星星”获得沿着四面八方抛射的初速度。

所有的烟花还需要一个初始点火来启动整个过程。这是通过一串用黑色粉末覆盖的纺织纱线完成的。这些黑色粉末在外部点火后沿线逐渐燃烧。这种被称为“黑火柴”的导火索通常松散地包在纸管或护套中，其线性燃烧速率可以提高到每秒几米。

由于爆炸时“星星”们获得的速度很大，爆炸时间很短，如果忽略重力的影响，“星星”们向四面八方以几乎相等的速率运动，形成一个逐渐扩大的彩色球体。

三、烟花的色彩

至于烟花之所以色彩斑斓，是因为在烟花的成分中，添加了特殊的元素，在燃烧过程中，这些特殊元素的火焰具有不同的颜色，在合适的控制之下，烟花就会变得五彩斑斓，令人陶醉。

烟花含有各种不同的化学药品，在燃烧时可以给火焰染色。铜燃烧时，火焰会变成绿色；硝酸锶、碳酸锶燃烧时，能使火焰变成红色；硝酸钠、草酸钠燃烧时火焰是黄色；将硝酸锶和硝酸钠按一定比例混合，燃烧时火焰是桔红色。只要把这些药品按不同的比例和次序放在烟花里，烟花在燃烧时，便能发出五彩缤纷的光。

四、烟花的运动

在物理人的眼中，“星星”们的运动分为两段：第一段是爆炸前的竖直上抛运动，一般在竖直上抛的最高点烟花爆炸；第二阶段是爆炸阶段，“星星”们沿各个方向做初速率基本相等的抛体运动。

微观上看，每一个“星星”都在做抛物线运动。从宏观上看，彩色球一边匀速扩张，一边做自由落体运动；随着时间的延续，空气阻力的影响越来越明显，彩色球下方的“星星”速率大于上方的速率，下方的“星星”受到的阻力偏大，发光球在扩大和下降过程中就逐渐变形了。

上面是基于球形烟花进行的分析，至于烟花的其他形状，可以在发射前通过合理的排布和发射后控制爆炸的时序来实现。

图4

如图4所示，如果烟花爆出的是一个巨大的脚丫，那么烟花发射前，一定是一个小脚丫。发射之后，小脚丫上的每一个颗粒都在做初速度方向上的匀速直线运动和竖直向下的自由落体运动，而初速度方向上的匀速直线运动保证了粒子沿直线向上空立体投影，显示出一个人逐渐变大的巨人脚丫。

五、观赏建议

在元宵佳节来临之际，如果您有机会燃放或观赏烟花，不妨提前了解一些烟花的知识，约上朋友，带着家人，寻一处距离适中、视野开阔之地，在确保安全的前提下，共赏盛世美景，用心领悟科学与艺术的交相辉映。

如果空气通透，月光皎洁，在今晚19日23时54分，在五彩缤纷的烟花丛中，您还将能观赏到2019年最大、最圆的月亮。

六、结语

历史总是惊人的相似，几千年来总是在不断重复。有谁会想到，远在700多年前的今天，元代诗人赵孟頫也在昂首观赏美丽的烟花，并赋诗留念：

七律 · 赠放烟火者

元 · 赵孟頫

人间巧艺夺天工，炼药燃灯清昼同。

柳絮飞残铺地白，桃花落尽满阶红。

纷纷灿烂如星陨，赫赫喧虺似火攻。

后夜再翻花上锦，不愁零落向东风。

| 创客焦作 | 

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