實驗小改進 效果大不同

湖北省荊州市沙市區(qū)岑河中學(434010) 文久江

覆杯實驗通過硬紙片托住倒置的杯中的水，來驗證大氣壓強的存在，它是中學物理教學中常見的演示實驗之一。

圖1是2012年人教版8年級下冊物理教科書中的實驗圖片，在圖片配文中提出問題：“什么力使懸空塑料管里的水不會流出來?”教科書中講述到，如果把懸空倒置的塑料管的上端跟大氣相通，使水上、下大氣壓強相等，水就不能留在管中。這就是物理教師們經(jīng)常用來驗證大氣壓存在的覆杯實驗，因為實驗器材取用方便，操作容易，而且效果明顯，所以此實驗成為初中物理課堂上一個傳統(tǒng)而重要的實驗項目。

圖1 覆杯實驗

1 覆杯實驗的做法和解釋

1.1 實驗目的

證明大氣壓的存在。

1.2 實驗器材

玻璃瓶、適量水、塑料片。

1.3 實驗步驟

(1)取一個空玻璃瓶，用一個面積比玻璃瓶口略大一些的硬紙片蓋住玻璃瓶瓶口。

(2)用手輕輕按住硬紙片，將玻璃瓶倒置過來。松開手后，觀察硬紙片是否會從空玻璃瓶口脫落。

(3)在玻璃瓶中裝滿水，用硬紙片蓋住玻璃瓶口，注意此過程中不要讓空氣進入瓶中。用手輕輕按住硬紙片，并將玻璃瓶倒置過來。松開手后，觀察水是否會從玻璃瓶中流出，硬紙片是否會脫落。

(4)輕輕將玻璃瓶轉(zhuǎn)動一周，觀察硬紙片是否會掉下來。

1.4 實驗現(xiàn)象

用硬紙片蓋住空玻璃瓶口，將裝置倒置后，硬紙片從空玻璃瓶口脫落。在玻璃瓶中裝滿水，用硬紙片蓋住玻璃瓶口，將裝置倒置后，玻璃瓶中的水沒有流出，硬紙片貼在瓶口并未脫落。向各個方向旋轉(zhuǎn)玻璃瓶，硬紙片均緊貼在玻璃瓶口不掉下來，瓶中的水也沒有流出。

1.5 分析與論證

1.5.1 問題1：硬紙片為什么會從倒置的空玻璃瓶口掉下來

分析：空玻璃瓶中有空氣，將玻璃瓶倒置后，硬紙片的上下表面都有空氣，如果大氣存在著壓強，則硬紙片上、下表面受到的大氣壓強相等，硬紙片由于自身重力作用而向下墜落；如果大氣中不存在壓強，即硬紙片的上、下表面都不受大氣的壓力，同樣硬紙片由于重力而下落。

1.5.2 問題2：裝滿水后，為什么硬紙片附在倒置的瓶口掉不下來

分析：玻璃瓶中裝滿水后，將玻璃瓶倒置后，硬紙片的上方只有水而不存在空氣，肯定不受大氣壓的作用，而硬紙片的下表面仍然有空氣。硬紙片由于水的壓力和重力作用不下落，說明硬紙片的下表面肯定受到了一個向上的力，這個力的施力物體只有空氣，所以，這個實驗很好地說明了大氣壓強的存在。

1.5.3 問題3：旋轉(zhuǎn)裝滿水的玻璃瓶，硬紙片為什么沒有掉下來

分析：由于硬紙片的一邊有水，會受到水的作用力，而另一邊只有空氣。硬紙板不脫落，說明受到了大氣對硬紙板的壓力，這一步實驗說明了在大氣內(nèi)部向各個方向都有壓強。

2 覆杯實驗的小小改進

2017年3月和2018年3月，湖北名師文久江工作室組織了2次示范課活動，恰巧兩位教師都根據(jù)學校教學進度選擇了 “大氣壓強”一課。2018年3月，由主持人親自在荊州市東方紅中學上展示課；2019年3月，工作室成員、首批 “一師一優(yōu)課，一課一名師”活動部級優(yōu)課獲獎者李春艷教師在荊州市經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)岑河農(nóng)場中學講授這節(jié)課內(nèi)容。2次課可謂時隔一年的 “同課異構體”，兩位教師都采用的是學生自主完成覆杯實驗并進行論證、解釋的教學方法，其中給聽課教師震撼較大的是對覆杯實驗中的一些小改進。

2.1 水的改進

2.1.1 水量多少的改變

在2017年的實驗中，有2個小組的實驗操作中玻璃瓶中的水并沒有灌滿，將玻璃瓶倒置后，可以看到玻璃瓶底 (倒置后在上方)有一些空隙，也就是瓶內(nèi)進入了少量的空氣，實驗中硬紙片也沒有掉下來。由此說明，玻璃瓶中進入少量的空氣也是可以的。從力的平衡知識可知，玻璃瓶倒置后，硬紙片受到水和空氣往下的壓力，也受到空氣對它往上的壓力，如果硬紙片受到向上的壓力大于 (等于)受到的向下壓力和硬紙片自身重力之和，仍然可以將硬紙片緊緊壓在玻璃瓶口而不掉下來。

也就是說，無論玻璃瓶中是否裝滿水，或是改變瓶中水的質(zhì)量 (適量改變)，覆杯實驗都能成功。

2.1.2 水顏色的改變

2017年實驗時，教師給學生提供的是自來水。因為水是無色的，在觀察時，效果不是很明顯。為了增加實驗效果的可視性，2018年，李老師為學生提供的是滴入了紅墨水的水，改變水的顏色后，學生和聽課教師觀察起來就更清楚一些。

2.2 容器形狀改進

由于是學生分組實驗，2017年授課中，教師給每個小組提供的器材是略有不同的，有玻璃瓶、空罐頭瓶、大試管、小試管、平底燒杯、茶杯等。在每個小組展示的環(huán)節(jié)中，學生一個個目瞪口呆，原以為只有玻璃瓶 (杯)可以做這個實驗，不想教師提供的各式各樣、形狀各異、取材于生活中的這么多東西都可以作為器材完成覆杯實驗。

2.3 硬紙板的改進

傳統(tǒng)的覆杯實驗采取的是硬紙板，2017年上課時，教師利用的是廢舊撲克牌，撲克牌讓人聯(lián)想到娛樂游戲，這個替代比較好理解。而2018年給學生提供的器材不是硬紙板，而是一個個乒乓球，讓人聯(lián)想到 “國球”運動，以乒乓球替代硬紙板做出來的覆杯實驗讓學生和聽課教師更感到震撼。通過取材生活、操作簡單、略有改進的小實驗，讓學生體驗到 “物理就在身邊”，增添了物理學習的親切感。