覆杯實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計和新發(fā)現(xiàn)

陶本友

（蕪湖市第四十九中學(xué) 安徽 蕪湖 241204）

在大氣壓的教學(xué)中，多年來大家一直在做傳統(tǒng)的覆杯實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證大氣壓的存在，但覆杯實(shí)驗(yàn)本身也存在一些缺點(diǎn)和不足.筆者在教學(xué)實(shí)踐中對傳統(tǒng)的覆杯實(shí)驗(yàn)做了改進(jìn)，優(yōu)化設(shè)計，取得良好的效果；并注重觀察、研究覆杯實(shí)驗(yàn)中的細(xì)節(jié)現(xiàn)象，揭示其中的奧秘.現(xiàn)談一些看法和做法.

1 化解疑點(diǎn) 創(chuàng)新設(shè)計

傳統(tǒng)的覆杯實(shí)驗(yàn)是首先把水杯正放在水平桌面上，再裝滿水，然后在杯口蓋上硬紙板，把杯身倒過來，可見紙板不脫落.之后，再將杯身傾斜，讓杯口朝向不同的方向，學(xué)生發(fā)現(xiàn)紙板均不脫落.由此引導(dǎo)分析并得出結(jié)論，空氣內(nèi)部各個方向都有壓強(qiáng).這樣設(shè)計很好，筆者在教學(xué)中也曾這么做，效果不錯.

然而在教學(xué)實(shí)踐中，往往有不少的學(xué)生對此結(jié)論產(chǎn)生懷疑.他們認(rèn)為紙板不脫落不一定是大氣壓存在和作用的緣故，而是因?yàn)楸瓋?nèi)的水對紙板有“粘”力作用，所以紙板不會掉下來.這看似有一定的道理.要解答這些學(xué)生提出的質(zhì)疑，筆者覺得可以試一試下面的實(shí)驗(yàn).

圖1 液體對器壁壓強(qiáng)演示器

筆者在教學(xué)中一直安排這樣一個實(shí)驗(yàn)：用液體對器壁壓強(qiáng)演示器（圖1）代替普通水杯做覆杯實(shí)驗(yàn)，該容器與覆杯實(shí)驗(yàn)的容器相似，只不過在容器的側(cè)壁開有幾個小孔.實(shí)驗(yàn)前把這幾個小孔和橡皮塞仔細(xì)檢查一遍，并反復(fù)裝水測試，確保橡皮塞塞住小孔時不會漏水、漏氣，并且把液體對器壁壓強(qiáng)演示器的容器口磨平、磨光滑.一切準(zhǔn)備就緒后，向?qū)W生展示并介紹該容器，接下來進(jìn)行操作演示.先用橡皮塞塞住這幾個小孔，把液體對器壁壓強(qiáng)演示器正放在水平工作臺面上，然后裝滿水，再將紙板小心翼翼地蓋在容器口上，慢慢地使容器傾斜直到完全顛倒過來，在這一過程中可見紙板不會掉下來.至此仍然是傳統(tǒng)的覆杯實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到此時，教師可以提出問題：如果把容器側(cè)壁上的小孔打開，即拔出小孔上的橡皮塞，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？于是學(xué)生議論、猜想.接著教師繼續(xù)演示，拔出小孔上的橡皮塞，看到的現(xiàn)象是紙板脫落了，容器內(nèi)的水全部流出.這時引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并得出結(jié)論.可見，此實(shí)驗(yàn)不僅說明了大氣壓確實(shí)存在，而且還回答了部分學(xué)生提出的質(zhì)疑：覆杯實(shí)驗(yàn)中紙板不脫落不是水粘住的.學(xué)生確信紙板是受到大氣的壓力作用，所以不會脫落.

2 注重觀察 探索發(fā)現(xiàn)

上述覆杯實(shí)驗(yàn)都是將容器裝滿水后進(jìn)行的，而有時候進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時不小心讓空氣進(jìn)入容器內(nèi)導(dǎo)致覆杯實(shí)驗(yàn)失敗，即紙板脫落.針對這一現(xiàn)象，有人認(rèn)為容器內(nèi)沒有裝滿水時，內(nèi)部的壓強(qiáng)一定大于容器外的壓強(qiáng)，所以紙板脫落.需要說明的是在實(shí)際操作中，未裝滿水的覆杯實(shí)驗(yàn)是可以做成功的，這一點(diǎn)可以進(jìn)行如下的理論分析.

盡管容器內(nèi)沒有裝滿水，不能說容器內(nèi)的壓強(qiáng)就一定大于容器外的大氣壓，致使紙板脫落.事實(shí)上在把容器倒過來時，往往有少量水流出，當(dāng)然也可能有少許空氣進(jìn)入容器內(nèi)，但容器內(nèi)的氣壓小于容器外的大氣壓是可能的，這樣大氣壓是可以托住紙板的.教學(xué)實(shí)踐可以證實(shí)這一點(diǎn).在做覆杯實(shí)驗(yàn)時，如果仔細(xì)觀察會發(fā)現(xiàn)一個奇妙的現(xiàn)象，即把容器倒過來時紙板并不是緊貼在容器口上，而是離開容器口有大約毫米數(shù)量級的距離，正是這微小移動的距離，會導(dǎo)致容器內(nèi)氣壓減小，這樣容器外的大氣壓就可以支撐容器內(nèi)的水柱，紙板便不會掉下來.當(dāng)然水與紙板接觸時，因浸潤現(xiàn)象而產(chǎn)生的分子力及紙板的重力作用也是存在的，但這兩個力的大小與大氣壓力及容器內(nèi)水柱產(chǎn)生的壓力相比，影響很小，可以忽略不計.這樣紙板受到的力主要是容器內(nèi)水柱的壓力ρghS，容器內(nèi)大氣壓力pS，容器外的大氣壓力p0S.紙板受力平衡時，有

即

所以

又由氣態(tài)方程可知

略去微小量ΔpΔV后，得

即

所以

說明：p0，V0和L0分別是紙板緊貼在容器口時容器內(nèi)大氣壓、空氣體積和空氣柱的長度，p和V為紙板微小離開容器口后容器內(nèi)的大氣壓和空氣的體積，S為容器的橫截面積，而且假定容器的橫截面積上下一致，ΔL為紙板微小離開容器口的距離.因

所以

則

代入數(shù)據(jù)，即ρ為水的密度，g取10N／kg，p0為1個標(biāo) 準(zhǔn)大氣壓，容器高2 5cm，可以取h＝1 9cm，則L0＝6cm，這樣計算出ΔL≈1.1mm，可見ΔL的確是毫米數(shù)量級的距離.

綜上所述，紙板稍微離開容器口一點(diǎn)距離，大氣壓就可以支撐容器內(nèi)的水柱，紙板不會脫落.因此，在平時的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不僅強(qiáng)調(diào)要學(xué)生注重認(rèn)真觀察，教師自身也不能輕易放過每一個實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，更不能不負(fù)責(zé)任地想當(dāng)然，以維護(hù)科學(xué)的嚴(yán)肅性.

此外在做覆杯實(shí)驗(yàn)時，還可以看到蓋在容器口的紙板會發(fā)生形變，而且形變的情況也不盡相同.有時紙板可能向容器內(nèi)凹進(jìn)；而有時也可能向外凸出，這種情況出現(xiàn)時往往容易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗.這是因?yàn)樵诩埌逋耆钩鰰r，容器口周邊任一處空氣都隨時有可能進(jìn)入容器內(nèi)，導(dǎo)致紙板脫落.紙板會出現(xiàn)不同情形形變的現(xiàn)象也可以進(jìn)行分析.上面已經(jīng)講過，在實(shí)際操作中，容器內(nèi)的氣壓小于容器外的大氣壓是可能的.因此，我們在做覆杯實(shí)驗(yàn)時，經(jīng)?？吹郊埌宀坏幌蛲馔钩?，反而向容器內(nèi)凹進(jìn).當(dāng)然由于操作的原因，也有可能容器內(nèi)的氣體與水的壓強(qiáng)恰與容器外的大氣壓相當(dāng)，致使紙板幾乎不發(fā)生形變.另外，也有可能紙板向外凸出，以增大容器內(nèi)空氣的體積，減小氣壓，加上水的壓強(qiáng)與杯外大氣壓平衡.如果一定要演示紙板向外凸出的情形，又要保證實(shí)驗(yàn)成功，不妨用食品保鮮膜代替紙板做實(shí)驗(yàn).因?yàn)槭称繁ｕr膜的形變更大，學(xué)生看得更清楚.筆者在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)凸出部分的大小還可以變化，甚至?xí)霈F(xiàn)一部分凸出來，另一部分凹進(jìn)去的現(xiàn)象.

事實(shí)上，可創(chuàng)設(shè)的大氣壓實(shí)驗(yàn)有很多，這里僅是筆者在教學(xué)實(shí)踐中對覆杯實(shí)驗(yàn)的一些不成熟、不完善的想法和做法.

本文的目的是希望同行在教學(xué)實(shí)踐中，可以源于教材、高于教材創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生觀察與思考，激發(fā)學(xué)生探索奧秘的強(qiáng)烈欲望，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和敢于創(chuàng)新的精神，提升學(xué)生的心智和能力，以此達(dá)到課程標(biāo)準(zhǔn)中提出的提高全體學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的目標(biāo).