覆杯實驗的新設計和新發現

陶本友

（蕪湖市第四十九中學 安徽 蕪湖 241204）

在大氣壓的教學中，多年來大家一直在做傳統的覆杯實驗以驗證大氣壓的存在，但覆杯實驗本身也存在一些缺點和不足.筆者在教學實踐中對傳統的覆杯實驗做了改進，優化設計，取得良好的效果；并注重觀察、研究覆杯實驗中的細節現象，揭示其中的奧秘.現談一些看法和做法.

1 化解疑點 創新設計

傳統的覆杯實驗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，學生發現紙板均不脫落.由此引導分析并得出結論，空氣內部各個方向都有壓強.這樣設計很好，筆者在教學中也曾這么做，效果不錯.

然而在教學實踐中，往往有不少的學生對此結論產生懷疑.他們認為紙板不脫落不一定是大氣壓存在和作用的緣故，而是因為杯內的水對紙板有“粘”力作用，所以紙板不會掉下來.這看似有一定的道理.要解答這些學生提出的質疑，筆者覺得可以試一試下面的實驗.

圖1 液體對器壁壓強演示器

筆者在教學中一直安排這樣一個實驗：用液體對器壁壓強演示器（圖1）代替普通水杯做覆杯實驗，該容器與覆杯實驗的容器相似，只不過在容器的側壁開有幾個小孔.實驗前把這幾個小孔和橡皮塞仔細檢查一遍，并反復裝水測試，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演示器的容器口磨平、磨光滑.一切準備就緒后，向學生展示并介紹該容器，接下來進行操作演示.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.至此仍然是傳統的覆杯實驗.實驗進行到此時，教師可以提出問題：如果把容器側壁上的小孔打開，即拔出小孔上的橡皮塞，會出現什么現象？于是學生議論、猜想.接著教師繼續演示，拔出小孔上的橡皮塞，看到的現象是紙板脫落了，容器內的水全部流出.這時引導學生分析實驗現象，并得出結論.可見，此實驗不僅說明了大氣壓確實存在，而且還回答了部分學生提出的質疑：覆杯實驗中紙板不脫落不是水粘住的.學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 探索發現

上述覆杯實驗都是將容器裝滿水后進行的，而有時候進行實驗時不小心讓空氣進入容器內導致覆杯實驗失敗，即紙板脫落.針對這一現象，有人認為容器內沒有裝滿水時，內部的壓強一定大于容器外的壓強，所以紙板脫落.需要說明的是在實際操作中，未裝滿水的覆杯實驗是可以做成功的，這一點可以進行如下的理論分析.

盡管容器內沒有裝滿水，不能說容器內的壓強就一定大于容器外的大氣壓，致使紙板脫落.事實上在把容器倒過來時，往往有少量水流出，當然也可能有少許空氣進入容器內，但容器內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.教學實踐可以證實這一點.在做覆杯實驗時，如果仔細觀察會發現一個奇妙的現象，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量級的距離，正是這微小移動的距離，會導致容器內氣壓減小，這樣容器外的大氣壓就可以支撐容器內的水柱，紙板便不會掉下來.當然水與紙板接觸時，因浸潤現象而產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水柱產生的壓力相比，影響很小，可以忽略不計.這樣紙板受到的力主要是容器內水柱的壓力ρghS，容器內大氣壓力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

代入數據，即ρ為水的密度，g取10N／kg，p0為1個標 準大氣壓，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的確是毫米數量級的距離.

綜上所述，紙板稍微離開容器口一點距離，大氣壓就可以支撐容器內的水柱，紙板不會脫落.因此，在平時的實驗教學中，不僅強調要學生注重認真觀察，教師自身也不能輕易放過每一個實驗細節，更不能不負責任地想當然，以維護科學的嚴肅性.

此外在做覆杯實驗時，還可以看到蓋在容器口的紙板會發生形變，而且形變的情況也不盡相同.有時紙板可能向容器內凹進；而有時也可能向外凸出，這種情況出現時往往容易導致實驗失敗.這是因為在紙板完全凸出時，容器口周邊任一處空氣都隨時有可能進入容器內，導致紙板脫落.紙板會出現不同情形形變的現象也可以進行分析.上面已經講過，在實際操作中，容器內的氣壓小于容器外的大氣壓是可能的.因此，我們在做覆杯實驗時，經常看到紙板不但不向外凸出，反而向容器內凹進.當然由于操作的原因，也有可能容器內的氣體與水的壓強恰與容器外的大氣壓相當，致使紙板幾乎不發生形變.另外，也有可能紙板向外凸出，以增大容器內空氣的體積，減小氣壓，加上水的壓強與杯外大氣壓平衡.如果一定要演示紙板向外凸出的情形，又要保證實驗成功，不妨用食品保鮮膜代替紙板做實驗.因為食品保鮮膜的形變更大，學生看得更清楚.筆者在實際操作中發現凸出部分的大小還可以變化，甚至會出現一部分凸出來，另一部分凹進去的現象.

事實上，可創設的大氣壓實驗有很多，這里僅是筆者在教學實踐中對覆杯實驗的一些不成熟、不完善的想法和做法.

本文的目的是希望同行在教學實踐中，可以源于教材、高于教材創設實驗，引導學生觀察與思考，激發學生探索奧秘的強烈欲望，培養學生的科學探究能力、實事求是的科學態度和敢于創新的精神，提升學生的心智和能力，以此達到課程標準中提出的提高全體學生科學素養的目標.