“覆杯”實驗創(chuàng)新與拓展設(shè)計方案

王來喜

(宣城市水陽中心初中　安徽 宣城　242044)

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“覆杯”實驗創(chuàng)新與拓展設(shè)計方案

王來喜

(宣城市水陽中心初中安徽 宣城242044)

通過對“覆杯”實驗的創(chuàng)新與拓展，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了課堂教學(xué)效果.

覆杯實驗創(chuàng)新拓展

1　實驗課題

對“覆杯”實驗進(jìn)行創(chuàng)新與拓展.

2　教材內(nèi)容

適用于初中物理各種版本教材的“大氣壓強(qiáng)”教學(xué)，該節(jié)內(nèi)容主要圍繞大氣壓強(qiáng)存在的實驗證明、大氣壓強(qiáng)的大小(托里拆利實驗)和大氣壓強(qiáng)的應(yīng)用.

3　實驗或?qū)嶒炂鞑脑诮滩闹兴幍牡匚慌c作用

初中物理“大氣壓強(qiáng)”，每上到這一節(jié)，絕大多數(shù)教師都要給學(xué)生演示“覆杯實驗”. 通過“覆杯實驗”的演示，能說明大氣壓存在和大氣內(nèi)部向各個方向都有壓強(qiáng)，該實驗簡單易做，現(xiàn)象直觀，又與學(xué)生的認(rèn)知產(chǎn)生矛盾，能引起學(xué)生的極大興趣.“覆杯實驗”包含著樸素的物理基本原理，花費的時間很少，學(xué)生經(jīng)觀察、思考、推理后，既能解決疑問，又能開拓學(xué)生學(xué)習(xí)的思路，豐富學(xué)生的實踐經(jīng)驗，所以“覆杯實驗”被廣泛應(yīng)用于教學(xué)中.

筆者所設(shè)計的“覆杯”實驗不僅具備原實驗的功效，而且成功率更高，還能形象解釋大氣壓把液體壓進(jìn)口腔或抽水機(jī)的原理.由于“托里拆利實驗”要用到有毒物質(zhì)水銀，很少有教師動手演示該實驗，而這一實驗對于大氣壓強(qiáng)的教學(xué)又很重要，所以一般采用多媒體視頻或仿真實驗的形式替代，讓學(xué)生理解有點牽強(qiáng).筆者所設(shè)計的“覆杯”實驗，不僅可以自然過渡遷移到“托里拆利實驗”，還能為“托里拆利實驗”積累感性認(rèn)識，做好鋪墊，讓學(xué)生更易于理解“托里拆利實驗”的原理和設(shè)計.

4　實驗原型及不足之處

4.1實驗原型

覆杯實驗，實際上是一項演示實驗，實驗裝置見圖1.

圖1　覆杯實驗

如圖1所示，將一個杯子灌滿水，取一紙片(或玻璃片、薄鐵片)蓋于杯口．然后用手扶著紙片將杯子緩慢倒置后，再放開扶紙片的手．水竟不落下來! 如此說明空氣對紙片有壓力，即說明大氣壓強(qiáng)的存在．4.2不足之處[1]

(1)有學(xué)生認(rèn)為，紙片弄濕以后，就可以粘在杯口了(圖2),不能證明大氣壓的存在.

圖2　紙片弄濕后可粘在杯口

(2)采用較薄的紙片，浸濕后較軟，不耐久易破裂，當(dāng)杯口稍移動時，由于大氣壓強(qiáng)的作用，會使軟紙片發(fā)生比較大的形變，此時在杯口部分產(chǎn)生大量褶皺從而水會從縫隙中流出，導(dǎo)致實驗失敗.

(3)用硬紙片做覆杯實驗時，如果仔細(xì)觀察，還會發(fā)現(xiàn)一個奇妙的現(xiàn)象，即把容器倒過來時硬紙片并不是緊貼在容器口上， 而是離開容器口有大約毫米數(shù)量級的距離，正是這微小移動的距離，會導(dǎo)致容器內(nèi)氣壓減小，內(nèi)外有壓強(qiáng)差，才將硬紙片和水托住，為驗證大氣在各個方向都有壓強(qiáng)，需要將杯口向前后左右旋轉(zhuǎn)，演示水仍然不會落下，而這時可能由于硬紙片過重而滑落下來，導(dǎo)致實驗失敗.

(4)無色透明的水不能引起學(xué)生感官上的刺激，不直觀，特別是教室后排的學(xué)生.

(5)實驗的拓展性不足，導(dǎo)致課堂教學(xué)環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換到“托里拆利實驗”不夠流暢，學(xué)生理解“托里拆利實驗”原理和設(shè)計及大氣壓大小的計算有困難.

5　實驗創(chuàng)新原理與拓展[2]

(1)將橡皮塞塞進(jìn)兩端開口的玻璃管一端，玻璃管就變成了一個“杯子”.玻璃管中灌滿水后，另一端蒙上保鮮膜，倒置后，因為大氣壓的作用，水不落下；拔掉塞子后水上下受壓，等于大氣壓相互抵消，水就在重力作用下落下來了.排除了保鮮膜弄濕以后粘在杯口，將水托住的可能.

(2)用保鮮膜蒙在玻璃管的管口，因為保鮮膜彈性很好，即使管口不平整，也能保證密封性，實驗成功率大大提高.管口向前后左右旋轉(zhuǎn)，保鮮膜很輕且包裹了管口，演示時可以確保水不會落下.

(3)實驗采用淡淡的紅墨水能引起學(xué)生感官上的刺激，特別是教室后排的學(xué)生，也能直觀地看見實驗現(xiàn)象.

(4)為飲料吸進(jìn)口中和抽水機(jī)的原理做解釋.

倒出水后，一端塞好橡皮塞，玻璃管開口端插入水槽，當(dāng)沒入水面后，再用大針筒經(jīng)橡皮塞從玻璃管中抽氣，發(fā)現(xiàn)有水進(jìn)入玻璃管.

(5)打開上面的塞子，液面下降，再次證明液體的上升是由于大氣壓的原因(有助于學(xué)生理解托里拆利實驗中，玻璃管頂部破裂，液面將下降，提供了感性認(rèn)識).

(6)引導(dǎo)學(xué)生思考下面問題

問1：前面的覆杯實驗中，為什么水沒有落下？(學(xué)生答：大氣壓托住了)

問2：大氣壓強(qiáng)可以托起多高的水柱呢？(學(xué)生很疑惑，不知道答案，但激發(fā)了學(xué)生的探究欲望)

教師演示：取一根更長的玻璃管重復(fù)覆杯實驗，發(fā)現(xiàn)還是可以托住.

問3：大氣壓強(qiáng)最大可以托起多高的水柱呢？怎么辦？(生：再取更長一點的玻璃管重復(fù)實驗)

教師明確：大氣壓最大可以托起約10m高的水柱，如果要驗證該結(jié)論，操作上會很麻煩，我們不妨轉(zhuǎn)換思考問題的方向，來探究大氣壓強(qiáng)可以托起密度比水大得多的水銀柱的高度.

(這樣就很自然過渡到了“托里拆利實驗”，學(xué)生對它的原理和設(shè)計也容易接受、理解)

6　實驗器材

兩端開口的玻璃管長、短各1根，橡皮塞2個，保鮮膜1張，注射器(含針)1支，紅墨水，水槽1個，燒杯1個.(見圖3)

圖3　創(chuàng)新實驗的實驗器材

7　實驗步驟與現(xiàn)象預(yù)見

7.1證明大氣存在壓強(qiáng)

步驟1：用橡皮塞塞進(jìn)兩端開口的玻璃管一端，玻璃管就變成了一個“杯子”.玻璃管中灌滿水后，另一端蒙上保鮮膜，倒置后，放手，因為大氣壓的作用，水不落下.

步驟2：拔掉塞子后水上下受壓，等于大氣壓相互抵消，水在重力作用下落下來了.

7.2解釋大氣壓把液體壓進(jìn)口腔或抽水機(jī)的原理

步驟3：倒出水后，將玻璃管一端塞好橡皮塞，開口端插入水槽，當(dāng)開口端沒入水面后，再用大針筒經(jīng)橡皮塞從大玻璃管中抽氣，發(fā)現(xiàn)有水進(jìn)入玻璃管.

7.3為托里拆利實驗作鋪墊 積累感性認(rèn)識

步驟4：拔掉塞子，液體下降至與水槽內(nèi)水面齊平.

步驟5：取一根更長的玻璃管重復(fù)“覆杯”實驗，發(fā)現(xiàn)還是可以托住.

8　實驗注意事項

(1)注意密封性.保鮮膜與玻璃管口，橡皮塞與玻璃管口.

(2)保鮮膜的大小以包裹管口3～5cm為宜，過小密封性不夠，過大易給學(xué)生造成水沒有落下是因為保鮮膜粘在玻璃管所致的錯覺.

9　實驗成功與反思

該實驗的改進(jìn)彌補(bǔ)了原實驗的不足，能形象解釋抽水機(jī)和吸飲料的原理，并且能更好地為后面的托里拆利實驗做鋪墊，實驗結(jié)論直接、原理明了，便于學(xué)生理解大氣壓的知識.該實驗儀器來源于實驗室常用的儀器和生活用品，起到提高學(xué)生探究熱情，發(fā)散學(xué)生思維的作用，同時也提高了學(xué)生解決實際問題的能力.

1陶本友．覆杯實驗的新設(shè)計和新發(fā)現(xiàn)．物理通報，2011(3)：66～67

2宏福主．21世紀(jì)中學(xué)物理創(chuàng)新教學(xué)實驗設(shè)計與探索全書．呼和浩特：內(nèi)蒙古少年兒童出版社，1999．241

2016-01-20)