漫談覆杯實驗

張伯林

摘 要： 用實驗證明大氣壓的存在，覆杯實驗是教師一個很好的選擇，在進行實驗時往往會遇到一些問題，為了能讓教師順利完成此實驗，本文從實驗選材、實驗技巧以及實驗現象的解釋等各方面進行了比較詳細的說明，希望對教師有所幫助.

關鍵詞： 覆杯實驗;實驗選材;實驗技巧;現象解釋

講授大氣壓強一節，首先要向學生證明大氣壓的存在，教學中可供選擇的證明實驗特別多，由于課時所限，實驗必須有所取舍.教師們在選擇實驗時，都比較偏愛覆杯實驗，其原因不外乎有這樣幾點，一是覆杯實驗非常貼近學生的生活，不管是在課堂上還是在家里，學生都能比較容易的找到實驗器材.二是覆杯實驗非常具有趣味性，學生都非常愿意動手實驗，在實驗中學生也比較容易發現更多的問題：為什么有的同學容易做成功，有的不易成功？為什么有的同學杯子沒裝滿水也能成功……這樣比較容易引發學生再思考.三是覆杯實驗的可視性強，現象直觀、明顯，有助于學生思考問題.因此覆杯實驗有不可替代的優勢，它也成為一個較為經典的證明大氣壓存在的實驗.下面結合筆者經驗談幾個關于覆杯實驗的問題.

1 實驗器材的選用

1.1 覆杯實驗

很多教師做覆杯實驗時，一般都把注意力放在選用什么樣的紙片上，而忽略了杯子的選擇，什么樣的杯子比較好呢？關鍵一點就是，杯口一定要光滑平整.筆者發現，生活中很多杯子的杯口是不平整的，使用這樣的杯子做實驗，即使選用的“紙片”再好，也可能會在杯口與紙片之間留有縫隙，給實驗帶來困難.

《中學物理》2018年第4期32頁，“覆杯實驗再探究”中，關于杯子的形狀的選擇是這樣陳述的：提供以下三種形狀的杯子（杯子的底面積相同，高度相同）：

最佳選擇是容器2.

選擇理由是三個形狀的容器裝滿水倒置，杯蓋受的水的壓強相同，但容器2的杯口小，受到水的壓力小.

其實文章作者忽略了一個問題，容器2的杯口小，受到的水的壓力小，而同時杯蓋受到的大氣的壓力也小了.

問題的關鍵不是杯子的形狀影響到了實驗，而是杯口的大小，杯子口大不容易實驗也不是因為水的這點壓力（水的這點壓強在大氣壓強面前已經到了可以忽略的地步），而是“紙片”放在大杯口上容易變形，跟杯口產生縫隙，造成漏水，使實驗失敗.選用合適的“紙片”可以有效的解決這個問題.

1.2 “紙片”的選用

實驗中大家一般選用紙質材料制作“紙片”，例如A4紙、卡紙等，筆者發現，只要選用的紙質材料，實驗中就容易被潤濕，從而因變形而漏水，實驗失敗.

筆者曾經把石蠟熔化浸潤在A4紙上做成蠟紙，有一定的防水效果，覆杯實驗的成功率大大提高，老師們可以借鑒一下.

還有一種材料做為“紙片”使用效果特別好，就是家庭用的PVC桌布（如圖1所示）， 這種材料的特點就是有韌性、強度大、與杯口貼合度高.這樣的桌布往往比較厚，其實它是由幾層壓合而成，很容易分開，揭下一層剪成比杯口稍大的圓片即可（如圖2所示）.

選取了合適的器材，實驗就隨心所欲了.另外還有一個小技巧就是，杯子裝滿水蓋上紙片后，用手輕輕壓一下紙片的中間部位，使其稍稍下凹，可以大大提高實驗成功率.其原因是，當把杯子倒置時，水壓在“紙片”上會導致“紙片”有所下移，如果“紙片”放在杯口上時是平的，此時的“紙片”會因下移而跟杯口脫離，容易造成漏水.如果提前按壓一下“紙片”，可為倒置杯子時“紙片”的下移預留出空間，從而避免了“紙片”與杯口的脫離，提高了實驗的成功率.

2 覆杯實驗中如何破解“紙片被粘住”的疑問

有些學生在看到覆杯實驗的時候，往往會產生這樣的疑問：“紙片”掉不下來是不是被水粘住了？比較傳統的解決方法是，選用一只透明的塑料杯，在杯底打個孔，做覆杯實驗時，用手堵住小孔，加滿水后將杯子倒置，水不能流出，打開小孔后，“紙片”落下，水流出.從而證明“紙片”不是被水粘住的.用此方法時要注意孔徑不要太小，如果太小的話，可能會因為水的表面張力作用，空氣不能進入杯子，水流不出來.

下面介紹另一種辦法，用到的器材有：杯子，一盒鉤碼，軟塑料片，硬塑料片（例如羽毛球筒上的塑料蓋、口香糖瓶蓋等）.

杯蓋的制作：將軟塑料片剪成比杯口稍大的圓形，將硬塑料片剪成比杯口稍小的圓形，并在其中部扎兩個小眼兒，類似于衣服扣子，在兩個小眼兒中穿入細線，然后用熱熔膠將硬塑料圓片粘到軟塑料片的中部，（如圖3所示）.

實驗操作：將杯子加滿水，用制作好的杯蓋蓋好，輕壓中部，然后將杯子倒置，水流不出來.將鉤碼掛在杯蓋預留的細線上，逐漸增加鉤碼個數，看看能懸掛上幾個鉤碼（如圖4所示）.

這樣改進實驗，既能消除“紙片被粘住”的疑問，又能激發學生的學習興趣，學生熱情高漲，可以帶來良好的課堂氣氛.

3 杯子不裝滿水的覆杯實驗

3.1 實驗方法

2018年《中學物理》第四期，《兩個生活化中學物理實驗的再探究》中提到：“經實驗驗證（水不加滿來做這個實驗）完全可以，只要杯中水大于三分之二，由于大氣壓比較大的原因，都可以順利完成實驗.”

筆者經過實驗發現，“杯中水大于三分之二”的條件并不是一概而論的，要看實驗選用的“紙片”材質，如果選材較軟，實驗方法適當，杯中裝任意水量都可以完成覆杯實驗.軟質材料，前面提到PVC塑料桌布的材料就很好.實驗方法也很簡單，在杯中加入任意量的水，蓋上塑料片，用手適當下壓塑料片，讓其稍向杯內凹下，但一定不要用力過大，以免使塑料片的邊緣翹起與杯口脫離，導致覆杯時漏水而失敗.如果選材較硬并且質量較大，比如玻璃板，“杯中水大于三分之二”恐怕也不行，水量還要增多.

3.2 “半杯水”覆杯實驗的成因

杯子不裝滿水也能做覆杯實驗，其成功的原因可分為兩種情況.一種情況是，實驗“紙片”選用的材料比較軟，比如A4紙、卡紙或者前文提到的PVC塑料桌布等，這樣的材料容易發生形變，當把這樣的“紙片”放在杯口上，它會在重力作用下向杯子內部凹陷，實驗時還要用手扶著紙片將杯子倒置，在“用力扶著”這個力的作用下，紙片也會內凹，杯子倒置后，杯內的水壓在“紙片”上，“紙片”中部又會向杯口外部偏移，此時“紙片”可能又向杯口外部突出，也可能看上去“紙片”還是凹向杯內，不管怎樣，杯內空氣體積相比覆杯之前都變大了，根據波——馬定律可知，杯內氣體的壓強減小了，小于外界大氣壓強，所以紙片不會掉下來.

另一種情況是，“紙片”的材質比較硬，比如光滑的木板、玻璃板等，這樣的材料很不容易形變.如果實驗中選用的是玻璃板，當玻璃板蓋在杯口上時，玻璃板幾乎不發生形變，杯內氣壓不變，等于外界大氣壓.當杯子倒置后，假設玻璃板還是緊靠在杯口上，也就是說杯內氣體的體積沒有發生變化，此時，杯內氣壓依然等于大氣壓強，玻璃板和水因缺乏支撐必然下落，當他們稍有下落，杯內空氣的體積就會變大，氣壓就會減小，當P內S=P0S-ρghS-G玻時，玻璃板停止下落.據測算，玻璃板只需要下移10-4m數量級的距離（此距離與杯子內空氣的多少有關，空氣越多此距離越大）就可以滿足上述條件.雖然用玻璃板也能成功，但難度較大，因為杯子倒置時，玻璃板跟杯口之間已經脫離，玻璃板極易滑動，杯子稍有傾斜玻璃板就會滑落，所以實驗時盡量選用輕一點的玻璃板，杯子里的水也不能太少.

2018年《物理教師》39卷第一期《對一道值得商榷的中考試題的探討》一文，只觀察并解釋了第二種情況，對第一種情況的存在進行了否定，這是不合理的.

最后再分享一個覆杯實驗，器材：一個直徑10cm、高17cm的玻璃瓶（瓶子比較大），一塊長18cm、寬12cm、厚2cm的有機玻璃板（玻璃板質量比較大）.

因選用的瓶子瓶口不太平整，所以首先對瓶口進行磨制，把一張水磨砂紙（180cw）鋪在光滑平整的桌面上，瓶口在砂紙上旋轉磨平.

瓶中加入大約13cm深的水（水再少就不容易完成實驗了），蓋上有機玻璃板并用力向下壓玻璃板的中部，使其盡量下凹，此時瓶內空氣被壓縮，稍微掀動玻璃板一角，放出瓶內部分空氣，再壓緊玻璃板.

手持瓶子將其倒置（注意觀察是否進氣，進氣說明瓶口沒處理好），水不流出（如圖5所示），將玻璃瓶橫向放置， 水依然不流出.實驗完畢.

好的物理課堂離不開實驗，順利有效地完成每一個實驗，對幫助學生理解物理知識以及對學生各種能力培養起到很大的作用，加強物理實驗的教學是每一個物理老師的共識.在課堂上讓每一個實驗都能得以完美的展現，需要教師們靜下心來，將實驗的每一個環節吃透，包括實驗原理、實驗材料的選取、實驗的技巧、實驗現象的解釋等.在這個探索過程中也許還會發現實驗選用器材的不足、實驗方法存在的問題……，也許經過改進，一個創新實驗因此誕生.

參考文獻：

[1]關善超.兩個生活化中學物理實驗的再探究[J].中學物理（初中版），2018（4）.

[2]馬興衛.對一道值得商榷的中考試題的探究[J].物理教師，2018，39（1）.

[3]李繼蘭.對覆杯實驗再探討[J].物理教學探討，2007（8）.