覆杯實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)常見做法的基礎(chǔ)上，指出了實(shí)驗(yàn)操作和現(xiàn)象闡釋中存在的不足與錯(cuò)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(shí)驗(yàn)；大氣壓；困惑；建議

覆杯實(shí)驗(yàn)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(qiáng)存在的經(jīng)典實(shí)驗(yàn).但實(shí)驗(yàn)演示中部分教師因?qū)?shí)驗(yàn)原理認(rèn)識(shí)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(shí)驗(yàn)找到了改進(jìn)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的一般做法和學(xué)生的困惑

覆杯實(shí)驗(yàn)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(huì)倒流出來，由此可說明紙片受到一個(gè)空氣對其向上的作用力，從而證明大氣壓強(qiáng)的存在.（如圖1）

這個(gè)實(shí)驗(yàn)看似簡單，原理好像也直接明了，但在實(shí)際教學(xué)中，源于生活經(jīng)驗(yàn)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)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(huì)發(fā)現(xiàn)水中有氣泡或沒有裝滿水時(shí)實(shí)驗(yàn)也能成功，甚至有部分樂于思考的學(xué)生可能還會(huì)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(cuò)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(gè)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(shí)，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?yàn)樯罱?jīng)驗(yàn)讓學(xué)生知道：水對薄片是有粘附力的.事實(shí)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(gè)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(gè)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(huì)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(cuò)誤的.因?yàn)椋阂粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)可以支撐約10米左右高的水柱，在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，消除困惑

為了讓學(xué)生消除“水黏住了薄片”這一認(rèn)識(shí)，還有教師認(rèn)為可采用下面的實(shí)驗(yàn).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(shí)薄片處于水中，由于沒有大氣的作用就會(huì)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(shí)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(shí)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(huì)掉落的，所以用該實(shí)驗(yàn)說明在水中薄片不受大氣壓就會(huì)掉落是不成立的.但為什么實(shí)驗(yàn)中常常會(huì)出現(xiàn)薄片掉落呢？筆者通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)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(huì)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(shí)驗(yàn)時(shí)使薄片壓緊杯口結(jié)合緊密，再放入水中，薄片就不會(huì)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(huì)收縮形成水膜封住小孔，阻礙空氣進(jìn)入，薄片不會(huì)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?yàn)樗捅∑佑|面積明顯減少.

3 對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的進(jìn)一步探討

覆杯實(shí)驗(yàn)即使杯內(nèi)有氣泡或沒有裝滿水，常常也可以成功.這是因?yàn)樵趯?shí)際操作中，若水未完全裝滿，用薄片蓋住杯口時(shí)會(huì)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(shí)，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(huì)因?yàn)楸∑瑵B水而下降，也使得杯內(nèi)空氣體積增大[1]，這樣就會(huì)造成杯內(nèi)空氣壓強(qiáng)減小.只要杯內(nèi)空氣（氣泡）的壓強(qiáng)和水柱壓強(qiáng)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(qiáng)產(chǎn)生的托力，薄片就不會(huì)掉.

而對于個(gè)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?yàn)樗哂辛鲃?dòng)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(shí)驗(yàn)改進(jìn)的建議

4.1 實(shí)驗(yàn)選材和操作應(yīng)注意的問題

首先，選材時(shí)應(yīng)注意三點(diǎn)：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(jī)玻璃薄片代替硬紙片，避免滲水和變形.

其次，實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(jì)實(shí)驗(yàn)，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(diǎn)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(shí)驗(yàn)時(shí)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(shí)時(shí)，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(shí)實(shí)驗(yàn)原理，然后展示小孔，就可以很自然認(rèn)識(shí)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(shí)驗(yàn)的改進(jìn)及其它》[3]、《營造真空巧妙改進(jìn)覆杯實(shí)驗(yàn)》 [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(shí)驗(yàn)成功.

參考文獻(xiàn)：

[1]沈文君，周新雅，黃吉榮，肖三保.“覆杯實(shí)驗(yàn)”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(shí)驗(yàn)的科學(xué)解釋[J].物理通報(bào)，2003（05）：26-28.

[3]劉成道. 有關(guān)覆杯實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)[J].中學(xué)物理，2015（08）：52.