對“會走路的杯子”實驗的設計、實施的思考

孫錟

摘 要：“會走路的杯子”屬于物理學科和化學學科中的一項實驗，其用簡答的實驗過程驗證了復雜的理論原理，有助于高中生發現理科的內在魅力，提高對理科的客觀認識。本文基于“會走路的杯子”這一實驗，圍繞物理與化學兩門學科在實踐中的應用進行了設計與思考。

關鍵詞：物理；化學；實驗；理論；實踐

化學和物理兩門課程是現代科技的核心，自十七世紀乃至近現代以來，世界上出現了眾多著名的科學家，如牛頓、愛因斯坦、霍金、居里夫人、盧瑟福等等，他們都是通過化學和物理研究，取得了大量的科技成果。這些成果不僅推動了世界科學技術的發展，更對人類文明的進步產生了重要的影響，并為現代科技文明研究奠定了扎實的基礎。近代中國飽經戰爭的蹂躪，使得科學技術研究停滯不前，導致了近現代中國文學領域超前而科學技術落后，并直接造成了新中國建立以來科學技術遠遠落后于西方發達國家的局面。當前的中國亟需更多屬于自己的發明創造，而要實現這一目的，一方面需要我國科學家的進一步努力，另一方面也需要作為學生的我們從小的方面做起，培養自己的發明意識和創造能力。那么，應當怎樣提高自己的發明創造能力呢？我認為，高中生應當充分利用自己學到的化學和物理知識，并以其它課程知識作輔助，先從設計小的實驗開始，通過自主實驗來驗證知識，并借此積累經驗，鞏固學到的知識。當具備了一定的實驗經驗后，一方面不斷提高實驗的難度，另一方面逐漸的將實驗轉化為發明創造，并用新的實驗來檢驗發明創造的可行性，最后再付諸行動，準備材料著手開始發明。針對這種想法和構思，下面我以“會走路的杯子”這一實驗為例，談一談自己從設計實驗再到通過實驗發明創造的經驗。

一、“會走路的杯子”實驗的設計

“會走路的杯子”是一個很簡單的小實驗，然而，雖然實驗的步驟簡單，如果操作不當，也會導致實驗失敗。首先是準備實驗材料。我在找來了一塊長40厘米、寬20厘米的玻璃，準備了21本厚度約1厘米的書、一根粗蠟燭、一個玻璃杯和一碗水。其次是實驗準備。我將22本書分成兩摞，一摞10本，一摞12本，兩摞書之間的距離約30厘米，高度約10厘米。隨即將玻璃放在書上，測量發現玻璃的傾斜角度約160°左右。最后是實驗的過程，共分為三個階段。在第一個階段，我先將玻璃杯放在玻璃上，觀察杯子的狀態，發現杯子在玻璃傾斜度為160°鈍角的狀態下根本不可能向下方滑落。這是實驗得出的第一個結論。在第二個階段，我將杯子取下來，在玻璃表面上倒入一些水，再將杯子放在玻璃上，觀察杯子的狀態。雖然水在杯子和玻璃之間起到了一定的滑潤作用，但水卻將杯子邊緣與玻璃的接觸部分密封起來，此時不僅杯子不會向玻璃下方滑落，就連將它從玻璃上取下來都很困難，需要一只手按住玻璃，另一只手稍微用力，才能從玻璃上拿下杯子，這是實驗得出的第二個結論。在第三個階段，我再次將杯子放在有水的玻璃表面，隨即點燃蠟燭，將燭火置于玻璃上杯子口的正下方，約5分鐘后，奇跡出現了，剛才連從玻璃上取下來都很困難的水杯，此時竟然擺脫了水對杯口的密封，緩緩的向玻璃下方移動，這是實驗得出的第三個結論。

二、“會走路的杯子”實驗的分析

針對上述通過實驗得出的三個結論，我對它們進行了分析和思考。

首先，對于第一個實驗結論，顯而易見，它屬于物理學中摩擦力與重力的描述范圍。當兩個物體之間的摩擦力大于它們的重力，如將A置于B之上，AB之間的摩擦力大于A的重力，那么無論B怎樣傾斜甚至翻轉，A都會緊緊依附在B的表面，也可以說是B依附在A的表面。這就說明了在剛才的實驗中，為什么水杯在玻璃呈160°傾斜的條件下不會滑落，因為玻璃承載了水杯的重量，它的傾斜角度達不到萬有引力導致水杯滑落的要求，而用物理語言來描述，即是玻璃與水杯的摩擦力大于萬有引力對水杯的控制。

其次，對于第二個實驗結論，它的原理既可以用物理語言來描述，又可以用化學語言來描述。在物理學中，當物體A以真空狀態依附于物體B的表面，并且接觸的部位密封，則物體A與物體B融為一體，其中，真空部分就如同一塊巖石中的空洞，雖然占據了一定的空間，但不影響巖石的整體性，因為巖石的其它部分還是相連的。然而，在剛才的實驗中，當杯子依附于玻璃表面，杯子的內部并不是真空狀態，它與玻璃的連接僅靠水對杯口的密封，那么，為什么從玻璃上取下杯子需要更大的力氣？事實上，這就如同巖石，巖石中的空洞也不是真空的，但巖石的其它部分相連，而水作為杯子與玻璃相連的媒介，一方面加大了兩者之間的摩擦力，另一方面也對兩者起到了相互的作用，而這種相互作用即是物理學中范德華力，在化學領域，也可將這種現象稱為分子間作用力。

最后，對于第三個實驗結論，這涉及到了物理學中的氣壓問題。水將杯口密封加大了杯子與玻璃的粘合性，在這樣的狀態下，如果想讓杯子向著玻璃下方移動，只能采取兩種措施。其一是通過外力作用移動杯子，如用手握住杯子向玻璃下方推移；其二是通過內力作用，顯而易見，能讓杯子移動的內力作用唯有杯子內部的空氣，那么，如何才能讓空氣推動杯子移動呢？這就需要利用物理學中的氣壓原理。眾所周知，在固定空間內，氣體會隨著熱量增加而逐漸膨脹，這即是物理中的熱力學原理。而當用燭火烘烤扣壓在玻璃上的杯口，杯子里的氣體膨脹，則會產生壓強，繼而，壓強會降低杯子與玻璃之間的密封度，換言之，即降低了兩者之間的摩擦力。通過第一個實驗結論已經說明，在玻璃傾斜160°的條件下，兩者的摩擦力大于杯子的重力，杯子則不會移動；而當杯子與玻璃之間有了水這一媒介，杯子內的氣體在燭火的作用下不斷膨脹，降低了摩擦力，加上水的滑潤作用，此時杯子和玻璃的摩擦力小于不加水狀態下杯子與玻璃的摩擦力，如此，則杯子又受到了萬有引力的控制，從而使杯子在玻璃表面滑動。

如此，雖然是一個非常簡單的實驗，但其中卻蘊含了很多的物理和化學知識原理。然而，如何才能通過這一實驗來實現發明創造呢？我們可以想象，如果將杯子換成一架列車，將玻璃換成新型耐熱材料，將燭火換成更為強大的熱源，如太陽能，則我們可以利用我國地勢上西高東低的地形，架設由我國西部至東部的單向無動力列車。而要實現這一目標，還需要我們加大實驗的難度，通過反復的實驗和論證，來提高我們的創造能力。

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