覆杯实验的新设计和新发现

陶本友

（芜湖市第四十九中学 安徽 芜湖 241204）

在大气压的教学中，多年来大家一直在做传统的覆杯实验以验证大气压的存在，但覆杯实验本身也存在一些缺点和不足.笔者在教学实践中对传统的覆杯实验做了改进，优化设计，取得良好的效果；并注重观察、研究覆杯实验中的细节现象，揭示其中的奥秘.现谈一些看法和做法.

1 化解疑点 创新设计

传统的覆杯实验是首先把水杯正放在水平桌面上，再装满水，然后在杯口盖上硬纸板，把杯身倒过来，可见纸板不脱落.之后，再将杯身倾斜，让杯口朝向不同的方向，学生发现纸板均不脱落.由此引导分析并得出结论，空气内部各个方向都有压强.这样设计很好，笔者在教学中也曾这么做，效果不错.

然而在教学实践中，往往有不少的学生对此结论产生怀疑.他们认为纸板不脱落不一定是大气压存在和作用的缘故，而是因为杯内的水对纸板有“粘”力作用，所以纸板不会掉下来.这看似有一定的道理.要解答这些学生提出的质疑，笔者觉得可以试一试下面的实验.

图1 液体对器壁压强演示器

笔者在教学中一直安排这样一个实验：用液体对器壁压强演示器（图1）代替普通水杯做覆杯实验，该容器与覆杯实验的容器相似，只不过在容器的侧壁开有几个小孔.实验前把这几个小孔和橡皮塞仔细检查一遍，并反复装水测试，确保橡皮塞塞住小孔时不会漏水、漏气，并且把液体对器壁压强演示器的容器口磨平、磨光滑.一切准备就绪后，向学生展示并介绍该容器，接下来进行操作演示.先用橡皮塞塞住这几个小孔，把液体对器壁压强演示器正放在水平工作台面上，然后装满水，再将纸板小心翼翼地盖在容器口上，慢慢地使容器倾斜直到完全颠倒过来，在这一过程中可见纸板不会掉下来.至此仍然是传统的覆杯实验.实验进行到此时，教师可以提出问题：如果把容器侧壁上的小孔打开，即拔出小孔上的橡皮塞，会出现什么现象？于是学生议论、猜想.接着教师继续演示，拔出小孔上的橡皮塞，看到的现象是纸板脱落了，容器内的水全部流出.这时引导学生分析实验现象，并得出结论.可见，此实验不仅说明了大气压确实存在，而且还回答了部分学生提出的质疑：覆杯实验中纸板不脱落不是水粘住的.学生确信纸板是受到大气的压力作用，所以不会脱落.

2 注重观察 探索发现

上述覆杯实验都是将容器装满水后进行的，而有时候进行实验时不小心让空气进入容器内导致覆杯实验失败，即纸板脱落.针对这一现象，有人认为容器内没有装满水时，内部的压强一定大于容器外的压强，所以纸板脱落.需要说明的是在实际操作中，未装满水的覆杯实验是可以做成功的，这一点可以进行如下的理论分析.

尽管容器内没有装满水，不能说容器内的压强就一定大于容器外的大气压，致使纸板脱落.事实上在把容器倒过来时，往往有少量水流出，当然也可能有少许空气进入容器内，但容器内的气压小于容器外的大气压是可能的，这样大气压是可以托住纸板的.教学实践可以证实这一点.在做覆杯实验时，如果仔细观察会发现一个奇妙的现象，即把容器倒过来时纸板并不是紧贴在容器口上，而是离开容器口有大约毫米数量级的距离，正是这微小移动的距离，会导致容器内气压减小，这样容器外的大气压就可以支撑容器内的水柱，纸板便不会掉下来.当然水与纸板接触时，因浸润现象而产生的分子力及纸板的重力作用也是存在的，但这两个力的大小与大气压力及容器内水柱产生的压力相比，影响很小，可以忽略不计.这样纸板受到的力主要是容器内水柱的压力ρghS，容器内大气压力pS，容器外的大气压力p0S.纸板受力平衡时，有

即

所以

又由气态方程可知

略去微小量ΔpΔV后，得

即

所以

说明：p0，V0和L0分别是纸板紧贴在容器口时容器内大气压、空气体积和空气柱的长度，p和V为纸板微小离开容器口后容器内的大气压和空气的体积，S为容器的横截面积，而且假定容器的横截面积上下一致，ΔL为纸板微小离开容器口的距离.因

所以

则

代入数据，即ρ为水的密度，g取10N／kg，p0为1个标 准大气压，容器高2 5cm，可以取h＝1 9cm，则L0＝6cm，这样计算出ΔL≈1.1mm，可见ΔL的确是毫米数量级的距离.

综上所述，纸板稍微离开容器口一点距离，大气压就可以支撑容器内的水柱，纸板不会脱落.因此，在平时的实验教学中，不仅强调要学生注重认真观察，教师自身也不能轻易放过每一个实验细节，更不能不负责任地想当然，以维护科学的严肃性.

此外在做覆杯实验时，还可以看到盖在容器口的纸板会发生形变，而且形变的情况也不尽相同.有时纸板可能向容器内凹进；而有时也可能向外凸出，这种情况出现时往往容易导致实验失败.这是因为在纸板完全凸出时，容器口周边任一处空气都随时有可能进入容器内，导致纸板脱落.纸板会出现不同情形形变的现象也可以进行分析.上面已经讲过，在实际操作中，容器内的气压小于容器外的大气压是可能的.因此，我们在做覆杯实验时，经常看到纸板不但不向外凸出，反而向容器内凹进.当然由于操作的原因，也有可能容器内的气体与水的压强恰与容器外的大气压相当，致使纸板几乎不发生形变.另外，也有可能纸板向外凸出，以增大容器内空气的体积，减小气压，加上水的压强与杯外大气压平衡.如果一定要演示纸板向外凸出的情形，又要保证实验成功，不妨用食品保鲜膜代替纸板做实验.因为食品保鲜膜的形变更大，学生看得更清楚.笔者在实际操作中发现凸出部分的大小还可以变化，甚至会出现一部分凸出来，另一部分凹进去的现象.

事实上，可创设的大气压实验有很多，这里仅是笔者在教学实践中对覆杯实验的一些不成熟、不完善的想法和做法.

本文的目的是希望同行在教学实践中，可以源于教材、高于教材创设实验，引导学生观察与思考，激发学生探索奥秘的强烈欲望，培养学生的科学探究能力、实事求是的科学态度和敢于创新的精神，提升学生的心智和能力，以此达到课程标准中提出的提高全体学生科学素养的目标.