覆杯实验中如何消除学生的困惑

肖越+张旭+龚劲涛

摘 要：本文在阐述覆杯实验常见做法的基础上，指出了实验操作和现象阐释中存在的不足与错误，并对如何消除学生关于“水黏住薄片”的困惑提出了可行方案和建议.

关键词：覆杯实验；大气压；困惑；建议

覆杯实验简单易做且现象明显，颇能引发学生的好奇心，因而常被教材和教师选用作为证明大气压强存在的经典实验.但实验演示中部分教师因对实验原理认识的不足，带来操作上存在一些问题，并容易让学生产生“水黏住薄片”这一困惑.笔者通过反复实验找到了改进实验的方法，并对常出现的问题进行了分析，希望与同行探讨交流.

1 覆杯实验的一般做法和学生的困惑

覆杯实验首先是将水杯装满水，用一张薄片（可以是硬纸片或塑料片）盖住杯口，然后按住薄片将水杯倒置，松开手，水不会倒流出来，由此可说明纸片受到一个空气对其向上的作用力，从而证明大气压强的存在.（如图1）

这个实验看似简单，原理好像也直接明了，但在实际教学中，源于生活经验学生对实验现象的第一反应常常是：水黏住了薄片.而且细心观察的学生还会发现水中有气泡或没有装满水时实验也能成功，甚至有部分乐于思考的学生可能还会提出下面的问题：如果大气压能将水托住，为什么还必须要薄片？

2 教师对待学生困惑的一般做法和存在的问题

面对学生出现的困惑和问题，教师常常采用下面一些方式和方法解决，但这些方法却存明显不足甚至错误.

2.1 定性解释

一部分教师从薄片受力角度进行定性分析：薄片受自身重力和杯内水向下的压力却不掉下来，说明外界大气给了薄片一个向上的“托力”托住了薄片，这就是大气压.而面对学生认为水黏住薄片的认识，一部分教师或直接告知学生不是水黏住了薄片或对此“避而不谈”.

这样的分析虽然正确但却不能完全消除 “水黏住了薄片”这一困惑，因为生活经验让学生知道：水对薄片是有粘附力的.事实上，由于水分子與固体分子间的相互吸引，水的确对薄片有一个粘附力存在，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

也有个别教师给出如下定量分析（如图2所示）：杯中水柱对薄片向下的压力F1，薄片的重力G，空气对薄片向上的大气压力F0，由于：

F1+G=F0（1）

所以薄片保持平衡不会掉落.

该解释不仅不能消除“水黏住了薄片”这一困惑，且（1）式的结论也是错误的.因为：一个标准大气压强可以支撑约10米左右高的水柱，在实验中所使用的水杯高度远小于10米，且薄片的重力一般情况下又远小于水柱重力，所以空气对薄片向上的“托力”F0大于杯中水柱对薄片向下的压力F1与薄片自身重力G之和：

F0>F1+G（2）

2.3 利用实验，消除困惑

为了让学生消除“水黏住了薄片”这一认识，还有教师认为可采用下面的实验.一种方法是将盖有薄片的水杯倒置放入盛水容器中（如图3所示），此时薄片处于水中，由于没有大气的作用就会掉落，由此否定 “水黏住薄片”的结论.另一种方法是在薄片上戳一小孔，让空气进入杯中使薄片掉落，从而证明并非“水黏住了薄片”，但这两种方法其实也不可行.

方法一存在的如下问题：盖有薄片的水杯倒置放入盛水容器中，此时薄片受力（这里指盖住杯口的部分，其余部分受水压力相互抵消）如图3所示：

F′=F2+F0（3）

F′为薄片受到的向上的压力，其中F2=ρgH1S为容器中的水在该处产生的压力，F0为水面上方大气通过水传递给该处的压力，相比于处于空气中的情况，在水中的薄片不仅要受到大气压力，而且还受到容器中水对其产生的向上的压力，因此若无其他因素影响，薄片是不会掉落的，所以用该实验说明在水中薄片不受大气压就会掉落是不成立的.但为什么实验中常常会出现薄片掉落呢？笔者通过反复实验发现了原因所在：主要是由于薄片与杯口处结合不够紧密（或杯沿不平整，或薄片未压紧杯沿）导致杯沿和薄片之间形成水填满的微小缝隙，因而容器中的水在大气压作用下便会挤入杯中造成薄片与杯口分离，使薄片掉落.因此只要选用杯沿平整的杯子，实验时使薄片压紧杯口结合紧密，再放入水中，薄片就不会掉落了.

方法二的问题在于：若薄片上戳的小孔较小，由于水的表面张力作用，小孔处水会收缩形成水膜封住小孔，阻碍空气进入，薄片不会掉落.若孔戳得较大水流出，薄片掉落，则不能否定 “水黏住薄片”这一结论，因为水和薄片接触面积明显减少.

3 对实验现象的进一步探讨

覆杯实验即使杯内有气泡或没有装满水，常常也可以成功.这是因为在实际操作中，若水未完全装满，用薄片盖住杯口时会让一部分空气留在杯中（也可能杯内水中本就有气泡），翻转时，若薄片不渗水，水对薄片的冲击可能造成少量水流出，使得薄片与杯口形成被水充满的微小缝隙，此缝隙使得杯内空气体积增大[1]；若薄片（纸片）有渗水现象，则水杯翻转后，水柱高度会因为薄片渗水而下降，也使得杯内空气体积增大[1]，这样就会造成杯内空气压强减小.只要杯内空气（气泡）的压强和水柱压强对薄片产生的压力与薄片自身重力之和小于外界大气压强产生的托力，薄片就不会掉.

而对于个别学生提出：“为什么大气压不能直接托住水柱”的问题，则可以从下面的角度分析：因为水具有流动性，翻转过程中水面凹凸不平，如果没有薄片，水面受到的大气压力方向各异，不能形成处处向上的合力，从而导致水从杯内流出.而薄片的作用就是在水面凸出的部分产生正压往里压，在水面某处凹进去的部分产生负压将其往外拉[2]，使得杯口水面受到均匀向上的大气压力，进而托住水杯内的水柱.

4 实验改进的建议

4.1 实验选材和操作应注意的问题

首先，选材时应注意三点：一是，杯子（瓶子）硬度要好，不易变形；二是，杯口不能太大，要小于四指并拢的宽度；三是，用硬度较好的塑料薄片或有机玻璃薄片代替硬纸片，避免渗水和变形.

其次，实验操作时，利用表面张力让水面高于杯口，让薄片紧贴杯沿从杯口一端水平推到另一端将其完全覆盖，并在倒置过程中，用四指并拢压紧薄片避免水流出和空气进入杯内.但若杯中出现气泡和杯底有空隙的情况实验依然成功，则应引导学生分析认清原理.

4.2 设计实验，证明水不能黏住薄片

选择硬度较高的透明塑料瓶（如药瓶/装糕点的硬塑料瓶等），在瓶底部或侧部（最好在侧部，这样操作更方便，便于学生理解原理 ）用烧红的钉子戳一小孔（孔不能太大，便于手指封住小孔阻止空气进入），实验时先用手指堵住小孔，按上述操作装满水，盖上薄片倒置，薄片不掉.在学生惊奇并产生“水黏住薄片”这一认识时，再松开封住瓶小孔的手指，薄片随即掉落.由此引导学生的好奇并进一步分析认识实验原理，然后展示小孔，就可以很自然认识到大气压的存在及作用，并消除“水黏住薄片”的困惑.而此方法相比于《有关覆杯实验的改进及其它》[3]、《营造真空巧妙改进覆杯实验》 [4]等文中介绍的方法，器材更易寻找且操作更方便并能确保实验成功.

参考文献：

[1]沈文君，周新雅，黄吉荣，肖三保.“覆杯实验”的四种情况分析[J].中学物理教学参考. 2016（01）：95-96.

[2] 王绍符，刘升，张喜荣. 覆杯实验的科学解释[J].物理通报，2003（05）：26-28.

[3]刘成道. 有关覆杯实验的改进及其它[J].教学与管理，1992（02）：59-60.

[4]金洁蓉. 营造真空巧妙改进覆杯实验[J].中学物理，2015（08）：52.