实验小改进 效果大不同

湖北省荆州市沙市区岑河中学(434010) 文久江

覆杯实验通过硬纸片托住倒置的杯中的水，来验证大气压强的存在，它是中学物理教学中常见的演示实验之一。

图1是2012年人教版8年级下册物理教科书中的实验图片，在图片配文中提出问题：“什么力使悬空塑料管里的水不会流出来?”教科书中讲述到，如果把悬空倒置的塑料管的上端跟大气相通，使水上、下大气压强相等，水就不能留在管中。这就是物理教师们经常用来验证大气压存在的覆杯实验，因为实验器材取用方便，操作容易，而且效果明显，所以此实验成为初中物理课堂上一个传统而重要的实验项目。

图1 覆杯实验

1 覆杯实验的做法和解释

1.1 实验目的

证明大气压的存在。

1.2 实验器材

玻璃瓶、适量水、塑料片。

1.3 实验步骤

(1)取一个空玻璃瓶，用一个面积比玻璃瓶口略大一些的硬纸片盖住玻璃瓶瓶口。

(2)用手轻轻按住硬纸片，将玻璃瓶倒置过来。松开手后，观察硬纸片是否会从空玻璃瓶口脱落。

(3)在玻璃瓶中装满水，用硬纸片盖住玻璃瓶口，注意此过程中不要让空气进入瓶中。用手轻轻按住硬纸片，并将玻璃瓶倒置过来。松开手后，观察水是否会从玻璃瓶中流出，硬纸片是否会脱落。

(4)轻轻将玻璃瓶转动一周，观察硬纸片是否会掉下来。

1.4 实验现象

用硬纸片盖住空玻璃瓶口，将装置倒置后，硬纸片从空玻璃瓶口脱落。在玻璃瓶中装满水，用硬纸片盖住玻璃瓶口，将装置倒置后，玻璃瓶中的水没有流出，硬纸片贴在瓶口并未脱落。向各个方向旋转玻璃瓶，硬纸片均紧贴在玻璃瓶口不掉下来，瓶中的水也没有流出。

1.5 分析与论证

1.5.1 问题1：硬纸片为什么会从倒置的空玻璃瓶口掉下来

分析：空玻璃瓶中有空气，将玻璃瓶倒置后，硬纸片的上下表面都有空气，如果大气存在着压强，则硬纸片上、下表面受到的大气压强相等，硬纸片由于自身重力作用而向下坠落；如果大气中不存在压强，即硬纸片的上、下表面都不受大气的压力，同样硬纸片由于重力而下落。

1.5.2 问题2：装满水后，为什么硬纸片附在倒置的瓶口掉不下来

分析：玻璃瓶中装满水后，将玻璃瓶倒置后，硬纸片的上方只有水而不存在空气，肯定不受大气压的作用，而硬纸片的下表面仍然有空气。硬纸片由于水的压力和重力作用不下落，说明硬纸片的下表面肯定受到了一个向上的力，这个力的施力物体只有空气，所以，这个实验很好地说明了大气压强的存在。

1.5.3 问题3：旋转装满水的玻璃瓶，硬纸片为什么没有掉下来

分析：由于硬纸片的一边有水，会受到水的作用力，而另一边只有空气。硬纸板不脱落，说明受到了大气对硬纸板的压力，这一步实验说明了在大气内部向各个方向都有压强。

2 覆杯实验的小小改进

2017年3月和2018年3月，湖北名师文久江工作室组织了2次示范课活动，恰巧两位教师都根据学校教学进度选择了 “大气压强”一课。2018年3月，由主持人亲自在荆州市东方红中学上展示课；2019年3月，工作室成员、首批 “一师一优课，一课一名师”活动部级优课获奖者李春艳教师在荆州市经济技术开发区岑河农场中学讲授这节课内容。2次课可谓时隔一年的 “同课异构体”，两位教师都采用的是学生自主完成覆杯实验并进行论证、解释的教学方法，其中给听课教师震撼较大的是对覆杯实验中的一些小改进。

2.1 水的改进

2.1.1 水量多少的改变

在2017年的实验中，有2个小组的实验操作中玻璃瓶中的水并没有灌满，将玻璃瓶倒置后，可以看到玻璃瓶底 (倒置后在上方)有一些空隙，也就是瓶内进入了少量的空气，实验中硬纸片也没有掉下来。由此说明，玻璃瓶中进入少量的空气也是可以的。从力的平衡知识可知，玻璃瓶倒置后，硬纸片受到水和空气往下的压力，也受到空气对它往上的压力，如果硬纸片受到向上的压力大于 (等于)受到的向下压力和硬纸片自身重力之和，仍然可以将硬纸片紧紧压在玻璃瓶口而不掉下来。

也就是说，无论玻璃瓶中是否装满水，或是改变瓶中水的质量 (适量改变)，覆杯实验都能成功。

2.1.2 水颜色的改变

2017年实验时，教师给学生提供的是自来水。因为水是无色的，在观察时，效果不是很明显。为了增加实验效果的可视性，2018年，李老师为学生提供的是滴入了红墨水的水，改变水的颜色后，学生和听课教师观察起来就更清楚一些。

2.2 容器形状改进

由于是学生分组实验，2017年授课中，教师给每个小组提供的器材是略有不同的，有玻璃瓶、空罐头瓶、大试管、小试管、平底烧杯、茶杯等。在每个小组展示的环节中，学生一个个目瞪口呆，原以为只有玻璃瓶 (杯)可以做这个实验，不想教师提供的各式各样、形状各异、取材于生活中的这么多东西都可以作为器材完成覆杯实验。

2.3 硬纸板的改进

传统的覆杯实验采取的是硬纸板，2017年上课时，教师利用的是废旧扑克牌，扑克牌让人联想到娱乐游戏，这个替代比较好理解。而2018年给学生提供的器材不是硬纸板，而是一个个乒乓球，让人联想到 “国球”运动，以乒乓球替代硬纸板做出来的覆杯实验让学生和听课教师更感到震撼。通过取材生活、操作简单、略有改进的小实验，让学生体验到 “物理就在身边”，增添了物理学习的亲切感。