漫談覆杯實(shí)驗(yàn)

張伯林

摘 要： 用實(shí)驗(yàn)證明大氣壓的存在，覆杯實(shí)驗(yàn)是教師一個(gè)很好的選擇，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)往往會(huì)遇到一些問題，為了能讓教師順利完成此實(shí)驗(yàn)，本文從實(shí)驗(yàn)選材、實(shí)驗(yàn)技巧以及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解釋等各方面進(jìn)行了比較詳細(xì)的說明，希望對(duì)教師有所幫助.

關(guān)鍵詞： 覆杯實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)選材;實(shí)驗(yàn)技巧;現(xiàn)象解釋

講授大氣壓強(qiáng)一節(jié)，首先要向?qū)W生證明大氣壓的存在，教學(xué)中可供選擇的證明實(shí)驗(yàn)特別多，由于課時(shí)所限，實(shí)驗(yàn)必須有所取舍.教師們?cè)谶x擇實(shí)驗(yàn)時(shí)，都比較偏愛覆杯實(shí)驗(yàn)，其原因不外乎有這樣幾點(diǎn)，一是覆杯實(shí)驗(yàn)非常貼近學(xué)生的生活，不管是在課堂上還是在家里，學(xué)生都能比較容易的找到實(shí)驗(yàn)器材.二是覆杯實(shí)驗(yàn)非常具有趣味性，學(xué)生都非常愿意動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生也比較容易發(fā)現(xiàn)更多的問題：為什么有的同學(xué)容易做成功，有的不易成功？為什么有的同學(xué)杯子沒裝滿水也能成功……這樣比較容易引發(fā)學(xué)生再思考.三是覆杯實(shí)驗(yàn)的可視性強(qiáng)，現(xiàn)象直觀、明顯，有助于學(xué)生思考問題.因此覆杯實(shí)驗(yàn)有不可替代的優(yōu)勢(shì)，它也成為一個(gè)較為經(jīng)典的證明大氣壓存在的實(shí)驗(yàn).下面結(jié)合筆者經(jīng)驗(yàn)談幾個(gè)關(guān)于覆杯實(shí)驗(yàn)的問題.

1 實(shí)驗(yàn)器材的選用

1.1 覆杯實(shí)驗(yàn)

很多教師做覆杯實(shí)驗(yàn)時(shí)，一般都把注意力放在選用什么樣的紙片上，而忽略了杯子的選擇，什么樣的杯子比較好呢？關(guān)鍵一點(diǎn)就是，杯口一定要光滑平整.筆者發(fā)現(xiàn)，生活中很多杯子的杯口是不平整的，使用這樣的杯子做實(shí)驗(yàn)，即使選用的“紙片”再好，也可能會(huì)在杯口與紙片之間留有縫隙，給實(shí)驗(yàn)帶來困難.

《中學(xué)物理》2018年第4期32頁(yè)，“覆杯實(shí)驗(yàn)再探究”中，關(guān)于杯子的形狀的選擇是這樣陳述的：提供以下三種形狀的杯子（杯子的底面積相同，高度相同）：

最佳選擇是容器2.

選擇理由是三個(gè)形狀的容器裝滿水倒置，杯蓋受的水的壓強(qiáng)相同，但容器2的杯口小，受到水的壓力小.

其實(shí)文章作者忽略了一個(gè)問題，容器2的杯口小，受到的水的壓力小，而同時(shí)杯蓋受到的大氣的壓力也小了.

問題的關(guān)鍵不是杯子的形狀影響到了實(shí)驗(yàn)，而是杯口的大小，杯子口大不容易實(shí)驗(yàn)也不是因?yàn)樗倪@點(diǎn)壓力（水的這點(diǎn)壓強(qiáng)在大氣壓強(qiáng)面前已經(jīng)到了可以忽略的地步），而是“紙片”放在大杯口上容易變形，跟杯口產(chǎn)生縫隙，造成漏水，使實(shí)驗(yàn)失敗.選用合適的“紙片”可以有效的解決這個(gè)問題.

1.2 “紙片”的選用

實(shí)驗(yàn)中大家一般選用紙質(zhì)材料制作“紙片”，例如A4紙、卡紙等，筆者發(fā)現(xiàn)，只要選用的紙質(zhì)材料，實(shí)驗(yàn)中就容易被潤(rùn)濕，從而因變形而漏水，實(shí)驗(yàn)失敗.

筆者曾經(jīng)把石蠟熔化浸潤(rùn)在A4紙上做成蠟紙，有一定的防水效果，覆杯實(shí)驗(yàn)的成功率大大提高，老師們可以借鑒一下.

還有一種材料做為“紙片”使用效果特別好，就是家庭用的PVC桌布（如圖1所示）， 這種材料的特點(diǎn)就是有韌性、強(qiáng)度大、與杯口貼合度高.這樣的桌布往往比較厚，其實(shí)它是由幾層壓合而成，很容易分開，揭下一層剪成比杯口稍大的圓片即可（如圖2所示）.

選取了合適的器材，實(shí)驗(yàn)就隨心所欲了.另外還有一個(gè)小技巧就是，杯子裝滿水蓋上紙片后，用手輕輕壓一下紙片的中間部位，使其稍稍下凹，可以大大提高實(shí)驗(yàn)成功率.其原因是，當(dāng)把杯子倒置時(shí)，水壓在“紙片”上會(huì)導(dǎo)致“紙片”有所下移，如果“紙片”放在杯口上時(shí)是平的，此時(shí)的“紙片”會(huì)因下移而跟杯口脫離，容易造成漏水.如果提前按壓一下“紙片”，可為倒置杯子時(shí)“紙片”的下移預(yù)留出空間，從而避免了“紙片”與杯口的脫離，提高了實(shí)驗(yàn)的成功率.

2 覆杯實(shí)驗(yàn)中如何破解“紙片被粘住”的疑問

有些學(xué)生在看到覆杯實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，往往會(huì)產(chǎn)生這樣的疑問：“紙片”掉不下來是不是被水粘住了？比較傳統(tǒng)的解決方法是，選用一只透明的塑料杯，在杯底打個(gè)孔，做覆杯實(shí)驗(yàn)時(shí)，用手堵住小孔，加滿水后將杯子倒置，水不能流出，打開小孔后，“紙片”落下，水流出.從而證明“紙片”不是被水粘住的.用此方法時(shí)要注意孔徑不要太小，如果太小的話，可能會(huì)因?yàn)樗谋砻鎻埩ψ饔茫諝獠荒苓M(jìn)入杯子，水流不出來.

下面介紹另一種辦法，用到的器材有：杯子，一盒鉤碼，軟塑料片，硬塑料片（例如羽毛球筒上的塑料蓋、口香糖瓶蓋等）.

杯蓋的制作：將軟塑料片剪成比杯口稍大的圓形，將硬塑料片剪成比杯口稍小的圓形，并在其中部扎兩個(gè)小眼兒，類似于衣服扣子，在兩個(gè)小眼兒中穿入細(xì)線，然后用熱熔膠將硬塑料圓片粘到軟塑料片的中部，（如圖3所示）.

實(shí)驗(yàn)操作：將杯子加滿水，用制作好的杯蓋蓋好，輕壓中部，然后將杯子倒置，水流不出來.將鉤碼掛在杯蓋預(yù)留的細(xì)線上，逐漸增加鉤碼個(gè)數(shù)，看看能懸掛上幾個(gè)鉤碼（如圖4所示）.

這樣改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，既能消除“紙片被粘住”的疑問，又能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生熱情高漲，可以帶來良好的課堂氣氛.

3 杯子不裝滿水的覆杯實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

2018年《中學(xué)物理》第四期，《兩個(gè)生活化中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的再探究》中提到：“經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（水不加滿來做這個(gè)實(shí)驗(yàn)）完全可以，只要杯中水大于三分之二，由于大氣壓比較大的原因，都可以順利完成實(shí)驗(yàn).”

筆者經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，“杯中水大于三分之二”的條件并不是一概而論的，要看實(shí)驗(yàn)選用的“紙片”材質(zhì)，如果選材較軟，實(shí)驗(yàn)方法適當(dāng)，杯中裝任意水量都可以完成覆杯實(shí)驗(yàn).軟質(zhì)材料，前面提到PVC塑料桌布的材料就很好.實(shí)驗(yàn)方法也很簡(jiǎn)單，在杯中加入任意量的水，蓋上塑料片，用手適當(dāng)下壓塑料片，讓其稍向杯內(nèi)凹下，但一定不要用力過大，以免使塑料片的邊緣翹起與杯口脫離，導(dǎo)致覆杯時(shí)漏水而失敗.如果選材較硬并且質(zhì)量較大，比如玻璃板，“杯中水大于三分之二”恐怕也不行，水量還要增多.

3.2 “半杯水”覆杯實(shí)驗(yàn)的成因

杯子不裝滿水也能做覆杯實(shí)驗(yàn)，其成功的原因可分為兩種情況.一種情況是，實(shí)驗(yàn)“紙片”選用的材料比較軟，比如A4紙、卡紙或者前文提到的PVC塑料桌布等，這樣的材料容易發(fā)生形變，當(dāng)把這樣的“紙片”放在杯口上，它會(huì)在重力作用下向杯子內(nèi)部凹陷，實(shí)驗(yàn)時(shí)還要用手扶著紙片將杯子倒置，在“用力扶著”這個(gè)力的作用下，紙片也會(huì)內(nèi)凹，杯子倒置后，杯內(nèi)的水壓在“紙片”上，“紙片”中部又會(huì)向杯口外部偏移，此時(shí)“紙片”可能又向杯口外部突出，也可能看上去“紙片”還是凹向杯內(nèi)，不管怎樣，杯內(nèi)空氣體積相比覆杯之前都變大了，根據(jù)波——馬定律可知，杯內(nèi)氣體的壓強(qiáng)減小了，小于外界大氣壓強(qiáng)，所以紙片不會(huì)掉下來.

另一種情況是，“紙片”的材質(zhì)比較硬，比如光滑的木板、玻璃板等，這樣的材料很不容易形變.如果實(shí)驗(yàn)中選用的是玻璃板，當(dāng)玻璃板蓋在杯口上時(shí)，玻璃板幾乎不發(fā)生形變，杯內(nèi)氣壓不變，等于外界大氣壓.當(dāng)杯子倒置后，假設(shè)玻璃板還是緊靠在杯口上，也就是說杯內(nèi)氣體的體積沒有發(fā)生變化，此時(shí)，杯內(nèi)氣壓依然等于大氣壓強(qiáng)，玻璃板和水因缺乏支撐必然下落，當(dāng)他們稍有下落，杯內(nèi)空氣的體積就會(huì)變大，氣壓就會(huì)減小，當(dāng)P內(nèi)S=P0S-ρghS-G玻時(shí)，玻璃板停止下落.據(jù)測(cè)算，玻璃板只需要下移10-4m數(shù)量級(jí)的距離（此距離與杯子內(nèi)空氣的多少有關(guān)，空氣越多此距離越大）就可以滿足上述條件.雖然用玻璃板也能成功，但難度較大，因?yàn)楸拥怪脮r(shí)，玻璃板跟杯口之間已經(jīng)脫離，玻璃板極易滑動(dòng)，杯子稍有傾斜玻璃板就會(huì)滑落，所以實(shí)驗(yàn)時(shí)盡量選用輕一點(diǎn)的玻璃板，杯子里的水也不能太少.

2018年《物理教師》39卷第一期《對(duì)一道值得商榷的中考試題的探討》一文，只觀察并解釋了第二種情況，對(duì)第一種情況的存在進(jìn)行了否定，這是不合理的.

最后再分享一個(gè)覆杯實(shí)驗(yàn)，器材：一個(gè)直徑10cm、高17cm的玻璃瓶（瓶子比較大），一塊長(zhǎng)18cm、寬12cm、厚2cm的有機(jī)玻璃板（玻璃板質(zhì)量比較大）.

因選用的瓶子瓶口不太平整，所以首先對(duì)瓶口進(jìn)行磨制，把一張水磨砂紙（180cw）鋪在光滑平整的桌面上，瓶口在砂紙上旋轉(zhuǎn)磨平.

瓶中加入大約13cm深的水（水再少就不容易完成實(shí)驗(yàn)了），蓋上有機(jī)玻璃板并用力向下壓玻璃板的中部，使其盡量下凹，此時(shí)瓶?jī)?nèi)空氣被壓縮，稍微掀動(dòng)玻璃板一角，放出瓶?jī)?nèi)部分空氣，再壓緊玻璃板.

手持瓶子將其倒置（注意觀察是否進(jìn)氣，進(jìn)氣說明瓶口沒處理好），水不流出（如圖5所示），將玻璃瓶橫向放置， 水依然不流出.實(shí)驗(yàn)完畢.

好的物理課堂離不開實(shí)驗(yàn)，順利有效地完成每一個(gè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)幫助學(xué)生理解物理知識(shí)以及對(duì)學(xué)生各種能力培養(yǎng)起到很大的作用，加強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)是每一個(gè)物理老師的共識(shí).在課堂上讓每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都能得以完美的展現(xiàn)，需要教師們靜下心來，將實(shí)驗(yàn)的每一個(gè)環(huán)節(jié)吃透，包括實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)材料的選取、實(shí)驗(yàn)的技巧、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解釋等.在這個(gè)探索過程中也許還會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)選用器材的不足、實(shí)驗(yàn)方法存在的問題……，也許經(jīng)過改進(jìn)，一個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)因此誕生.

參考文獻(xiàn)：

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