覆杯實驗中如何消除學(xué)生的困惑

肖越+張旭+龔勁濤

摘 要：本文在闡述覆杯實驗常見做法的基礎(chǔ)上，指出了實驗操作和現(xiàn)象闡釋中存在的不足與錯誤，并對如何消除學(xué)生關(guān)于“水黏住薄片”的困惑提出了可行方案和建議.

關(guān)鍵詞：覆杯實驗；大氣壓；困惑；建議

覆杯實驗簡單易做且現(xiàn)象明顯，頗能引發(fā)學(xué)生的好奇心，因而常被教材和教師選用作為證明大氣壓強存在的經(jīng)典實驗.但實驗演示中部分教師因?qū)嶒炘碚J(rèn)識的不足，帶來操作上存在一些問題，并容易讓學(xué)生產(chǎn)生“水黏住薄片”這一困惑.筆者通過反復(fù)實驗找到了改進(jìn)實驗的方法，并對常出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析，希望與同行探討交流.

1 覆杯實驗的一般做法和學(xué)生的困惑

覆杯實驗首先是將水杯裝滿水，用一張薄片（可以是硬紙片或塑料片）蓋住杯口，然后按住薄片將水杯倒置，松開手，水不會倒流出來，由此可說明紙片受到一個空氣對其向上的作用力，從而證明大氣壓強的存在.（如圖1）

這個實驗看似簡單，原理好像也直接明了，但在實際教學(xué)中，源于生活經(jīng)驗學(xué)生對實驗現(xiàn)象的第一反應(yīng)常常是：水黏住了薄片.而且細(xì)心觀察的學(xué)生還會發(fā)現(xiàn)水中有氣泡或沒有裝滿水時實驗也能成功，甚至有部分樂于思考的學(xué)生可能還會提出下面的問題：如果大氣壓能將水托住，為什么還必須要薄片？

2 教師對待學(xué)生困惑的一般做法和存在的問題

面對學(xué)生出現(xiàn)的困惑和問題，教師常常采用下面一些方式和方法解決，但這些方法卻存明顯不足甚至錯誤.

2.1 定性解釋

一部分教師從薄片受力角度進(jìn)行定性分析：薄片受自身重力和杯內(nèi)水向下的壓力卻不掉下來，說明外界大氣給了薄片一個向上的“托力”托住了薄片，這就是大氣壓.而面對學(xué)生認(rèn)為水黏住薄片的認(rèn)識，一部分教師或直接告知學(xué)生不是水黏住了薄片或?qū)Υ恕氨芏徽劇?

這樣的分析雖然正確但卻不能完全消除 “水黏住了薄片”這一困惑，因為生活經(jīng)驗讓學(xué)生知道：水對薄片是有粘附力的.事實上，由于水分子與固體分子間的相互吸引，水的確對薄片有一個粘附力存在，只是它起到的作用有限，并非是薄片不掉落的主要原因.

2.2 定量分析

也有個別教師給出如下定量分析（如圖2所示）：杯中水柱對薄片向下的壓力F1，薄片的重力G，空氣對薄片向上的大氣壓力F0，由于：

F1+G=F0（1）

所以薄片保持平衡不會掉落.

該解釋不僅不能消除“水黏住了薄片”這一困惑，且（1）式的結(jié)論也是錯誤的.因為：一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強可以支撐約10米左右高的水柱，在實驗中所使用的水杯高度遠(yuǎn)小于10米，且薄片的重力一般情況下又遠(yuǎn)小于水柱重力，所以空氣對薄片向上的“托力”F0大于杯中水柱對薄片向下的壓力F1與薄片自身重力G之和：

F0>F1+G（2）

2.3 利用實驗，消除困惑

為了讓學(xué)生消除“水黏住了薄片”這一認(rèn)識，還有教師認(rèn)為可采用下面的實驗.一種方法是將蓋有薄片的水杯倒置放入盛水容器中（如圖3所示），此時薄片處于水中，由于沒有大氣的作用就會掉落，由此否定 “水黏住薄片”的結(jié)論.另一種方法是在薄片上戳一小孔，讓空氣進(jìn)入杯中使薄片掉落，從而證明并非“水黏住了薄片”，但這兩種方法其實也不可行.

方法一存在的如下問題：蓋有薄片的水杯倒置放入盛水容器中，此時薄片受力（這里指蓋住杯口的部分，其余部分受水壓力相互抵消）如圖3所示：

F′=F2+F0（3）

F′為薄片受到的向上的壓力，其中F2=ρgH1S為容器中的水在該處產(chǎn)生的壓力，F(xiàn)0為水面上方大氣通過水傳遞給該處的壓力，相比于處于空氣中的情況，在水中的薄片不僅要受到大氣壓力，而且還受到容器中水對其產(chǎn)生的向上的壓力，因此若無其他因素影響，薄片是不會掉落的，所以用該實驗說明在水中薄片不受大氣壓就會掉落是不成立的.但為什么實驗中常常會出現(xiàn)薄片掉落呢？筆者通過反復(fù)實驗發(fā)現(xiàn)了原因所在：主要是由于薄片與杯口處結(jié)合不夠緊密（或杯沿不平整，或薄片未壓緊杯沿）導(dǎo)致杯沿和薄片之間形成水填滿的微小縫隙，因而容器中的水在大氣壓作用下便會擠入杯中造成薄片與杯口分離，使薄片掉落.因此只要選用杯沿平整的杯子，實驗時使薄片壓緊杯口結(jié)合緊密，再放入水中，薄片就不會掉落了.

方法二的問題在于：若薄片上戳的小孔較小，由于水的表面張力作用，小孔處水會收縮形成水膜封住小孔，阻礙空氣進(jìn)入，薄片不會掉落.若孔戳得較大水流出，薄片掉落，則不能否定 “水黏住薄片”這一結(jié)論，因為水和薄片接觸面積明顯減少.

3 對實驗現(xiàn)象的進(jìn)一步探討

覆杯實驗即使杯內(nèi)有氣泡或沒有裝滿水，常常也可以成功.這是因為在實際操作中，若水未完全裝滿，用薄片蓋住杯口時會讓一部分空氣留在杯中（也可能杯內(nèi)水中本就有氣泡），翻轉(zhuǎn)時，若薄片不滲水，水對薄片的沖擊可能造成少量水流出，使得薄片與杯口形成被水充滿的微小縫隙，此縫隙使得杯內(nèi)空氣體積增大[1]；若薄片（紙片）有滲水現(xiàn)象，則水杯翻轉(zhuǎn)后，水柱高度會因為薄片滲水而下降，也使得杯內(nèi)空氣體積增大[1]，這樣就會造成杯內(nèi)空氣壓強減小.只要杯內(nèi)空氣（氣泡）的壓強和水柱壓強對薄片產(chǎn)生的壓力與薄片自身重力之和小于外界大氣壓強產(chǎn)生的托力，薄片就不會掉.

而對于個別學(xué)生提出：“為什么大氣壓不能直接托住水柱”的問題，則可以從下面的角度分析：因為水具有流動性，翻轉(zhuǎn)過程中水面凹凸不平，如果沒有薄片，水面受到的大氣壓力方向各異，不能形成處處向上的合力，從而導(dǎo)致水從杯內(nèi)流出.而薄片的作用就是在水面凸出的部分產(chǎn)生正壓往里壓，在水面某處凹進(jìn)去的部分產(chǎn)生負(fù)壓將其往外拉[2]，使得杯口水面受到均勻向上的大氣壓力，進(jìn)而托住水杯內(nèi)的水柱.

4 實驗改進(jìn)的建議

4.1 實驗選材和操作應(yīng)注意的問題

首先，選材時應(yīng)注意三點：一是，杯子（瓶子）硬度要好，不易變形；二是，杯口不能太大，要小于四指并攏的寬度；三是，用硬度較好的塑料薄片或有機玻璃薄片代替硬紙片，避免滲水和變形.

其次，實驗操作時，利用表面張力讓水面高于杯口，讓薄片緊貼杯沿從杯口一端水平推到另一端將其完全覆蓋，并在倒置過程中，用四指并攏壓緊薄片避免水流出和空氣進(jìn)入杯內(nèi).但若杯中出現(xiàn)氣泡和杯底有空隙的情況實驗依然成功，則應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生分析認(rèn)清原理.

4.2 設(shè)計實驗，證明水不能黏住薄片

選擇硬度較高的透明塑料瓶（如藥瓶/裝糕點的硬塑料瓶等），在瓶底部或側(cè)部（最好在側(cè)部，這樣操作更方便，便于學(xué)生理解原理 ）用燒紅的釘子戳一小孔（孔不能太大，便于手指封住小孔阻止空氣進(jìn)入），實驗時先用手指堵住小孔，按上述操作裝滿水，蓋上薄片倒置，薄片不掉.在學(xué)生驚奇并產(chǎn)生“水黏住薄片”這一認(rèn)識時，再松開封住瓶小孔的手指，薄片隨即掉落.由此引導(dǎo)學(xué)生的好奇并進(jìn)一步分析認(rèn)識實驗原理，然后展示小孔，就可以很自然認(rèn)識到大氣壓的存在及作用，并消除“水黏住薄片”的困惑.而此方法相比于《有關(guān)覆杯實驗的改進(jìn)及其它》[3]、《營造真空巧妙改進(jìn)覆杯實驗》 [4]等文中介紹的方法，器材更易尋找且操作更方便并能確保實驗成功.

參考文獻(xiàn)：

[1]沈文君，周新雅，黃吉榮，肖三保.“覆杯實驗”的四種情況分析[J].中學(xué)物理教學(xué)參考. 2016（01）：95-96.

[2] 王紹符，劉升，張喜榮. 覆杯實驗的科學(xué)解釋[J].物理通報，2003（05）：26-28.

[3]劉成道. 有關(guān)覆杯實驗的改進(jìn)及其它[J].教學(xué)與管理，1992（02）：59-60.

[4]金潔蓉. 營造真空巧妙改進(jìn)覆杯實驗[J].中學(xué)物理，2015（08）：52.