覆杯實驗的再探索
——例談大氣壓在中國古代的應(yīng)用

劉沁心

(南京師范大學(xué)附屬中學(xué)江寧分校 江蘇 南京 211102)

1 引言

中國古代勞動人民對大氣壓的了解與利用歷史悠久，醫(yī)療方面有利用負壓的拔火罐，農(nóng)業(yè)方面有可以隔山取水用于灌溉的“渴烏”，甚至軍事方面也有可以滅火噴火的唧筒式器械.本文從大家熟悉的“覆杯實驗”入手[1]，步步深入，逐步引出幾種與生活息息相關(guān)的古代器具，體現(xiàn)了課標“從生活走向物理，從物理走向社會”的思想.

2 探究流程

2.1 覆杯實驗

2.1.1 滿水覆杯

演示實驗1：水杯裝滿水，用橡膠杯蓋(如圖1)作蓋片扣在杯口，做覆杯實驗，如圖2所示.

圖1 橡膠杯蓋

圖2 用底部帶孔的杯子做實驗

問題：為什么水與蓋片沒有掉落？

階段結(jié)論：大氣壓托住了蓋片和水.

新的質(zhì)疑：會不會是水“黏”住了蓋片？

演示實驗2：蓋片和水都“聽”老師的命令，教師偷偷松開堵住杯子底部小孔的手指，水與蓋片瞬間落下.

階段結(jié)論：蓋片并不是靠水黏住的.

新的質(zhì)疑：老師是如何做到的？普通杯子可以實現(xiàn)該效果嗎？

學(xué)生實驗1：做覆杯實驗，嘗試像老師剛才一樣讓水與蓋片瞬間下落.學(xué)生或改變杯口方向或使勁抖杯子，蓋片都沒掉.

階段結(jié)論：普通杯子做不到使水與蓋片瞬間下落，揭示真相，這是因為老師的杯子杯底有孔，而普通杯子杯底沒有孔.

新的質(zhì)疑：為什么手不捂住孔，大氣壓就無法托住蓋片和水了？

階段結(jié)論：蓋片上下大氣壓一致相抵消，水和蓋片受到重力作用就落下來了.

設(shè)計意圖：學(xué)生對于覆杯實驗最大的疑問，便是蓋片是否被水分子“吸”住，本實驗巧用杯底的孔，使學(xué)生意識到要是沒有大氣壓的作用，僅靠水是“黏”不住蓋片的.

2.1.2 半杯水覆杯

新的質(zhì)疑：為什么有的學(xué)生剛才實驗時沒有裝滿水，實驗仍然成功了呢？

學(xué)生實驗2：用半杯水做覆杯實驗，如圖3所示.

圖3 半杯水做覆杯實驗

階段結(jié)論：外界大氣壓大于杯內(nèi)氣體壓強.

新的質(zhì)疑：杯內(nèi)氣壓為什么會變小呢？

階段結(jié)論：實驗要成功，手必須輕壓蓋片使其向內(nèi)凹陷，擠出一部分空氣.倒置時當(dāng)手松開，蓋片恢復(fù)形變或部分恢復(fù)形變，杯中氣體體積變大，氣壓變小，如圖4所示.

(a) (b)

圖4 半杯水做覆杯實驗原理

2.1.3 空杯覆杯

新的質(zhì)疑：要是沒有水，這個實驗還能成功嗎？

學(xué)生實驗3：用空杯做覆杯實驗，如圖5所示.

圖5 空杯做覆杯實驗

階段結(jié)論：輕輕下壓蓋片排出部分空氣，蓋片恢復(fù)形變后，杯內(nèi)氣體體積變大，氣壓變小.

新的質(zhì)疑：要是用如圖6款式杯蓋，實驗還能成功嗎？為什么？

圖6 帶缺口的橡膠杯蓋

階段結(jié)論：覆杯實驗要成功，必須使杯內(nèi)氣體壓強或其與液體壓強之和小于外界大氣壓.

設(shè)計意圖：平時做覆杯實驗，大部分教師止步于滿水或未滿水兩種情況，尤其是在說明未滿水覆杯原因時，學(xué)生理解上仍存在困難.本實驗創(chuàng)新性地引入了空杯覆杯，使學(xué)生輕松理解了杯內(nèi)氣壓由于體積增大而小于外界大氣壓.筆者試用了紙片、塑料片、玻璃片等材質(zhì)，最終挑選了橡膠杯蓋，它的彈性大，空杯覆杯更易成功.若做半杯水的覆杯實驗，選用紙片或玻璃片做蓋片也是可以成功的，原因除了蓋片的形變造成瓶內(nèi)氣體體積變化外，有時蓋片和瓶口之間有一很小的被水充滿的縫隙，這一縫隙造成杯中水位下降，同樣會使杯中氣體體積變大，氣壓變小，如圖7所示.

圖7 用硬質(zhì)蓋片做覆杯實驗

2.2 汲水器

2.2.1 吸管

新的質(zhì)疑：沒有蓋片遮擋，大氣能托住管中的水嗎？

學(xué)生實驗4：用兩端開口的塑料吸管把一只杯子中的水移一些到另一只空杯中，如圖8所示.

圖8 裝有水的杯和空杯及吸管

階段結(jié)論：將吸管插入水中，用手指封住管口，將吸管移出水面到空杯上方，松開封住管口的手指，如圖9所示.

圖9 用吸管移水

新的質(zhì)疑：為什么堵住管口，大氣壓就能托住管中的水？

學(xué)生實驗5：在吸管中間適當(dāng)位置標上記號，將吸管放入水中直到記號處與水面平齊，手指堵住管口，提起吸管，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)水面低于記號處，如圖10所示.

階段結(jié)論：上提吸管時，管中水由于重力流出一部分，導(dǎo)致管內(nèi)氣體體積增大，氣壓變小，外界大氣壓就能托住水.

圖10 吸管內(nèi)水面低于記號處

介紹：這個現(xiàn)象最早在南北朝成書的《關(guān)尹子·九藥篇》中有記述[2]，它寫道：“瓶存二竅，以水實之，倒瀉；閉一則水不下.”中國唐代王冰在《黃帝內(nèi)經(jīng) ·素問》卷二十注中也寫道：“虛管溉滿，捻上懸之，水固不泄.”

設(shè)計意圖：此實驗就是2015年南京市物理中考題.該題得分率不高，可見不少學(xué)生并不理解其中原理，也有不少教師沒有做過相關(guān)演示實驗.驗證大氣壓強的實驗種類繁多，五花八門，教師在有限的課堂時間里是沒有辦法把所有實驗都演示一遍的，這就要求教師必須精選實驗并教會學(xué)生舉一反三.本實驗中通過半杯水覆杯與空杯覆杯奠定基礎(chǔ)，再加上記號的對比，學(xué)生很容易理解管內(nèi)氣體體積增大，氣壓減小.

2.2.2 戰(zhàn)國青銅酒器

問題：中國古人不僅發(fā)現(xiàn)了大氣壓的這種現(xiàn)象，并且將之運用于實際生活中.如圖11是我國戰(zhàn)國時期的青銅汲酒器，圖12為它的示意圖.長柄上端與球形底部各開一小孔a,b，你知道它應(yīng)該如何使用嗎？

圖11 戰(zhàn)國青銅汲酒器

圖12 汲酒器示意圖

階段結(jié)論：讓a小孔開放，將汲酒器下方浸沒到酒缸中，讓球形容器內(nèi)充滿酒水，再堵住開口a向上提升長柄即可取酒，如圖13所示.

圖13 汲酒器使用方法

2.2.3 硯滴

介紹：宋代俞琰在《席上腐談》中還說：“即如銅水滴，捻其竅則水不滴，放之則滴.” 所謂“銅水滴”，也就是一根小銅管，被用作滴水到墨硯上的小工具.這類器具又稱為“硯滴”，多為陶瓷質(zhì)地，可以自由控制滴下的水量以研磨.硯滴一般有兩種形態(tài)，一種為滴管式，使用方法類似我們剛才用吸管汲水.如圖14所示.手移開小孔，水就滴下，堵住小孔，滴水不漏.

圖14 滴管式硯滴

問題：另一種硯滴就像一個沒有蓋子的小茶壺，頂部只有一個小孔，如圖15所示.大家桌上就有一個這種形制的硯滴，你能自己琢磨一下它的使用方法嗎？

圖15 壺式硯滴

學(xué)生實驗6：嘗試使用壺式硯滴.

階段結(jié)論：裝滿水后，將硯滴傾斜，若孔打開則水滴下，若手捂住孔則水不滴了，如圖16所示.

新的質(zhì)疑：這個硯滴讓你想到了生活中的哪些用品？它們都有什么共同的特征？并解釋其道理.

圖16 壺式硯滴使用方法

階段結(jié)論：茶壺、油壺、嬰兒奶嘴、輸液瓶等等，它們都有小孔，與外界大氣相通，維持壺內(nèi)外氣壓相等，以便壺內(nèi)液體順利流出.一旦孔被捂住，液體倒出一點就倒不出來了，如圖17所示.

圖17 與硯滴原理類似的生活用具

2.2.4 兩心壺

介紹：大家看過電視劇《甄嬛傳》嗎？在最后甄嬛與果郡王見面共敘舊情的那一幕，甄嬛拿起桌上的一壺酒給自己倒了一杯，給果郡王倒了一杯.細心的觀眾會發(fā)現(xiàn)，甄嬛給自己倒酒時按住了壺蓋頂部紅色的珠子，給果郡王倒酒時按住了壺蓋頂部綠色的珠子，如圖18所示.果郡王卻明白其中的奧秘，把酒換掉將自己毒死.

圖18 《甄嬛傳》中的兩心壺

問題：這個既能倒出毒酒又能倒出無毒酒的酒壺難道只是電視劇的虛構(gòu)嗎？其實這個壺在我國古代是真實存在，俗稱“兩心壺”，這種壺最早是古人為方便服藥而命人精心制成，一邊裝藥，一邊裝酒做藥引.根據(jù)我們今天學(xué)習(xí)的知識，你能說出它是什么原理嗎？

階段結(jié)論：這個壺內(nèi)部應(yīng)該分為兩部分，壺嘴應(yīng)該也有兩個分離的通道.紅綠兩色珠子應(yīng)該就是壺內(nèi)兩部分各自的通氣孔.

新的質(zhì)疑：我們簡稱紅珠氣孔對應(yīng)的壺腔為紅壺，綠珠氣孔對應(yīng)的壺腔為綠壺.捂住紅珠孔，倒出的是毒酒，這個毒酒應(yīng)該是裝在紅壺還是綠壺？為什么？

階段結(jié)論：毒酒裝綠壺，因為紅珠孔被堵住，隨著壺內(nèi)酒流向壺嘴，紅壺內(nèi)氣體體積增大，氣壓減小，外界大氣壓就抵住紅壺內(nèi)的酒，是倒不出來的.

介紹：大家觀察一下市面上一種兩心壺的構(gòu)造，如圖19所示.

圖19 兩心壺內(nèi)部構(gòu)造

學(xué)生實驗7：利用塑料瓶、吸管、鉆孔錐子、熱熔膠槍等，自制一個簡易兩心壺.如圖20所示.

圖20 自制兩心壺

3 總結(jié)

本案例連續(xù)介紹3種古代器具：青銅酒器、硯滴與兩心壺.教師并沒有一味地講述，反而讓學(xué)生根據(jù)它們的器型，自主思考它們的使用方法.雖然大部分學(xué)生以前并沒有看過它們，但是經(jīng)過前面覆杯實驗、吸管汲水實驗的層層鋪墊，學(xué)生對于這種容器內(nèi)部氣體體積增大導(dǎo)致氣壓小于外界大氣壓的原理已經(jīng)掌握得非常熟練了，因此,無論是使用方法還是親自制作簡易模型對學(xué)生來說都難度不大.整個探究過程極大地豐富了學(xué)生的視野，大大增強了學(xué)生的民族自豪感.

通過以上“覆杯實驗”以及“青銅酒器”“硯滴”和“兩心壺”3種古代器具的原理和使用方法介紹，使學(xué)生在了解我國古代大氣壓應(yīng)用歷史的同時，受到更多的激勵和啟示，在學(xué)習(xí)和工作中，探究和開發(fā)更多更好的大氣壓應(yīng)用案例.