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【物理原理】烟花的物理学原理，它的大小、形状和颜色是怎么来的？

“故人西辞黄鹤楼 ， 烟花三月下扬州 。 ”——《黄鹤楼送孟浩然之广陵》李白
燃放烟花在我国有着悠久的历史 ， 从古代的诗句中可以看到众多的文人墨客都对烟花有过描述 。 在现代的大型活动 ， 或比较重要的节日中 ， 都少不了通过燃放烟花来庆祝的环节 。 但是当我们看到烟花时 ， 为什么有些烟花高有些烟花低？为什么烟花会产生不同的形状？为什么烟花有五颜六色的颜色？
所以我们今天要说的是：烟花是如何工作的？它都包含哪些物理学原理 。
【物理原理】烟花的物理学原理，它的大小、形状和颜色是怎么来的？
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我们从三种简单的原料开始：硫磺、木炭和硝酸钾 。
木炭并不是我们家里使用的煤球 ， 而是有机物（如木材）在被烧焦或被热解后 ， 所留下的碳残留物 ， 因为有机物中所有的水分都被带走后就会剩下碳 。 硝酸钾可以从硝土中提取出来 ， 来源包括鸟粪和蝙蝠粪便 ， 还有硝土也会存在于厕所、猪、牛栏屋 ， 庭院的老墙脚 ， 崖边 ， 岩洞以及不易被雨水冲洗的地面 。 硫磺可以从天然硫矿制得 ， 或将黄铁矿和焦炭混和在有限空气中燃烧制得 。
现在我们把这些材料准备好 ， 拿一个研钵和杵 ， 把它们混合在一起 ， 就会得到一种黑色粉末 。
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这个黑色粉末其实就是火药 。 接下来我们只需要的一些氧气和一个很小的热源就可以将其点燃 。 实际上硝酸钾就是很强的氧化剂 ， 火药燃烧的氧气就来源于此 ， 因此烟花甚至可以在没有氧气的外星球上燃放 。 所以 ， 等我们哪天登上火星 ， 可以在火星上来一场烟花表演 。
至于点火源 ， 这更简单 ， 一根火柴足以 。
当我们把一切准备就绪 ， 划根火柴会发生什么？
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瞬间火光四溅 ， 并伴随“砰”的一声 ， 如果你跑的慢一点 ， 有可能手还会被熏黄 。 但是 ， 一个简单的“爆炸”并不是烟花 ， 这只是烟花的一部分 。 真正的烟花要比这复杂的多 。
想要制作一个好的烟花需要考虑四大要素：高度、大小、形状和颜色 。 爆炸的火药只是后三种情况的催化剂 ， 是一个烟花的开始 。
在这四个要素中高度最容易理解 。
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因为发射烟花的方式和发射炮弹的方式是一样的！在一个底部封闭的管道中 ， 放入推进火药 ， 点燃以后就可以利用火药燃烧产生的高温气体将烟花“炮弹”推射出去 。
烟花“炮弹”的高度取决于初始速度 ， 烟花越大需要的初始速度越高 。 一个小型的烟花表演发射的烟花“炮弹”直径在5厘米到15厘米之间 ， 打出的炮弹高度在60-150米之间 。 一个大型烟花表演 ， 烟花“炮弹”的直径高达近1米 ， 这些烟花打出的高度通常超过300米 。
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烟花“炮弹”在被底座炮筒打出的那一刻 ， 如果一切正常引信就会被点燃 ， 并在上升的过程中燃烧 。 出于美观和安全的考虑 ， 我们需要将大型烟花尽可能发射到更高的高度 。 因为高度越高 ， 烟花就越好看 ， 能看到的人也就越多 ， 而且更加安全 ， 毕竟烟花也是火 。
更大的烟花不仅需要更大的升力 ， 还需要更大的爆发力来推动烟花的爆炸！所使用的升力必须足以将烟花发射到上面描述的必要高度 ， 这也解释了为什么更大的烟花会发射到更高的高度 。
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只要烟花“炮弹”不是“哑弹” ， 只要引信点燃并以适当的速度燃烧 ， 烟火“炮弹”将在其飞行的顶点或附近爆炸 。 高一些的烟花通常会更大一些 ， 因此会更有美感 ， 也更安全 。 但是是什么决定了烟花壮观的形状呢？为了找到答案 ， 我们需要了解烟花的内部结构 。
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烟花有许多不同的风格 ， 但有三个重要的因素 ， 炮弹里的火药的类型、装药方式和星体 。
炮弹里的装药可以是简单的火药 ， 也可以是更复杂的炸药 ， 装药方式可以是简单的一级装药（在空中爆炸一次）甚至是多级装药（在空中爆炸多次） 。 另一方面 ， 炮弹里的星体在爆炸后可以向各个方向发散 ， 产生更为壮观的美丽景象 。
而星体的发射方向和模式取决于烟花的组合方式 ， 每一级的火药爆炸都可以把星体推到事先设计的模式或方向上 。 星体在空中的排列方式就产生了我们看到的各种形状 。
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在每一级的烟花“炮弹”爆炸时 ， 内部的单个星体都会被点燃 。 这是烟花最有趣、最壮观的部分 。
而每个星体内部还装有火药 ， 为其提供推力 ， 例如使单个星体旋转、上升或向任意方向推进 ， 这些星体也是烟火中绚丽的光和颜色的来源 。
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这些星体是如何决定烟花的颜色？最简单的解释是不同的元素和化合物有不同的特征发射谱线 。 举个例子 ， 如果把钠加热 ， 它会发出特有的黄色光 ， 因为它在588纳米和589纳米处有两条非常窄的发射线 。 (街边的钠灯 ， 里面就充着钠蒸汽 。 )
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我们有各种各样的元素和化合物 ， 它们会发出各种各样的颜色！不同的钡、钠、铜和锶的化合物可以产生覆盖大量可见光谱的颜色 ， 而烟花中嵌入的不同化合物是我们看到的各种颜色的原因 。 如下图所示：
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这就是烟花的工作原理 ， 从发射到合适的高度 ， 再到爆炸 ， 再到烟花表演的大小、图案和颜色！当然 ， 我们唯一没有提到的是烟花爆炸时会发出的“砰”的声音 ， 这是最简单的！
火药爆炸会产生向外移动的压力波 。 在压力波的前面 ， 压力会达到非常高的水平 ， 是正常大气的许多倍 。 我们听到的“轰隆”声仅仅是因为空气压力的快速变化的结果 ， 这就是所有的声音产生原因 ， 一种压力波 。
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这就是烟花的物理原理！
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