瓶口缺陷“覆杯實驗”探究

丁紅+周新雅

[摘 要]“覆杯實驗”是中學物理中驗證大氣壓強存在的典型實驗，其取材容易、操作簡便、效果直觀。但在傳統教學中，教師都會強調杯口必須平整。為探尋杯口缺陷對覆杯實驗的影響，本實驗借助透明礦泉水瓶分別在滿瓶水與半瓶水的場景中，通過對比瓶口缺陷與瓶口完好的實驗效果，從而得出結論：在滿瓶水與半瓶水的場景中，瓶口存在缺陷時實驗仍能成功，且大氣壓強的作用效果顯著。

[關鍵詞]大氣壓強；瓶口缺陷；覆杯實驗；滿瓶水；半瓶水

[中圖分類號] G633.7 [文獻標識碼] A [文章編號] 16746058（2017）32004801

覆杯實驗是中學物理中驗證大氣壓強存在的一個非常直觀、非常典型的實驗，其裝置簡易、操作簡便、成功率高，在大氣壓演示實驗中有著十分重要的地位。并且，此實驗從小學自然常識到中學物理，乃至大學普通物理的大氣壓演示實驗也廣泛采用。因此，大量學者對覆杯實驗進行了探究。如杯中水未裝滿時紙片是否掉落；紙片在實驗中的作用；分析杯中氣體壓強的變化情況；對覆杯實驗進行改進；等等。但是，當杯口缺陷時覆杯實驗能否成功，卻鮮有研究。為此，筆者對此問題進行了探究，其具體實驗和結論如下。

一、 實驗原理

如圖1所示，首先，在裝滿水的杯口處蓋一硬紙片并用手按住此硬紙片；其次，掉轉杯口，使其口朝下，底朝上；最后，輕輕松開按住硬紙片的手。此時，紙片穩(wěn)穩(wěn)托住杯中水，從而證明大氣壓強的存在。

二、 實驗器材

塑料瓶、硬紙片、水、刀片、染料。

三、 實驗方法

1. 在水里放入適量染料，以便容易觀察。

2. 將瓶口完整的塑料瓶裝滿水后蓋上硬紙片，用手輕輕按住硬紙片后將瓶口掉轉朝下，然后松開按住硬紙片的手并觀察紙片與水是否掉落。

3. 將瓶口完整的塑料瓶裝一半的水，然后重復步驟2的瓶口掉轉過程，并觀察紙片與水是否掉落。

4. 用刀片將完整的塑料瓶口割開4個小口，每個小口約2mm。

5. 將瓶口存在缺陷的塑料瓶裝滿水后蓋上硬紙片，然后重復步驟2的瓶口掉轉過程，并觀察紙片與水是否掉落。

6. 將瓶口存在缺陷的塑料瓶裝一半的水后蓋上硬紙片，然后重復步驟2的瓶口掉轉過程，并觀察紙片與水是否掉落。

四、 實驗結果

1. 在滿瓶水和半瓶水的場景下，完整瓶口處的紙片與水均未掉落，覆杯實驗成功，如圖2至圖4。

2. 在滿瓶水和半瓶水的場景下，缺陷瓶口處的紙片與水均不掉落，覆杯實驗也成功，如圖5至圖7。

五、 分析與討論

分別在滿瓶水與半瓶水的場景中，完整瓶口處的紙片與水均不掉落是因為大氣壓強作用于紙片，使紙片將水托住，而不是因為水的表面張力將紙片黏住。這個論點已經被金潔容在真空中的實驗證明；另有劉成道的彩珠在杯內沿杯口內壁旋轉實驗，均已證明紙片是被大氣壓托住，而不是被水黏住，且與水的表面張力無關。

分別在滿瓶水與半瓶水的場景中，缺陷瓶口處的紙片與水均不掉落是大氣壓強的作用，而瓶口缺陷處不漏水是因為水的表面張力將水鎖在瓶內。這與辛貴書用窗紗代替紙片，窗紗不漏水是大氣壓與水的表面張力共同作用的觀點相一致。但是，瓶口缺陷，紙片能夠托住水主要是大氣壓強的作用。

六、教學建議

基于以上實驗結果與分析，筆者建議：在做中學物理課堂演示實驗時，教師不必強調杯口必須平整，如果故意強調反而給實驗增加了限制條件。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 辛貴書.覆杯實驗的新發(fā)現[J] .實驗教學與儀器，2001（2）.

[2] 蔣麗艷.關于“覆杯實驗”問題的探討[J].物理通報，2010（3）.

[3] 高嵩，廖伯琴.覆杯實驗的若干問題分析[J].物理教學探討，2011（1）.

[4] 李秀一.覆杯實驗的改進[J].實驗教學與儀器，2014（10）.

[5] 金潔榮.營造真空 巧妙改進覆杯實驗[J].中學物理，2015（33）.

[6] 劉成道.有關覆杯實驗的改進及其他[J].教學與管理，1992（2）.

（責任編輯 黃春香）