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(fā)現(xiàn)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(xiàn)代科技的核心，自十七世紀乃至近現(xiàn)代以來，世界上出現(xiàn)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(fā)展，更對人類文明的進步產生了重要的影響，并為現(xiàn)代科技文明研究奠定了扎實的基礎。近代中國飽經戰(zhàn)爭的蹂躪，使得科學技術研究停滯不前，導致了近現(xiàn)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(fā)達國家的局面。當前的中國亟需更多屬于自己的發(fā)明創(chuàng)造，而要實現(xiàn)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(yǎng)自己的發(fā)明意識和創(chuàng)造能力。那么，應當怎樣提高自己的發(fā)明創(chuàng)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(fā)明創(chuàng)造，并用新的實驗來檢驗發(fā)明創(chuàng)造的可行性，最后再付諸行動，準備材料著手開始發(fā)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(fā)明創(chuàng)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(fā)現(xiàn)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(tài)，發(fā)現(xiàn)杯子在玻璃傾斜度為160°鈍角的狀態(tài)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(tài)。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(xiàn)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(tài)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(jù)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(tài)，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(xiàn)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(tài)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(tài)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(xiàn)發(fā)明創(chuàng)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(xiàn)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(chuàng)造能力。

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