湖北省荊州市沙市區(qū)岑河中學(xué)(434010) 文久江

覆杯實驗通過硬紙片托住倒置的杯中的水，來驗證大氣壓強的存在，它是中學(xué)物理教學(xué)中常見的演示實驗之一。

圖1是2012年人教版8年級下冊物理教科書中的實驗圖片，在圖片配文中提出問題：“什么力使懸空塑料管里的水不會流出來?”教科書中講述到，如果把懸空倒置的塑料管的上端跟大氣相通，使水上、下大氣壓強相等，水就不能留在管中。這就是物理教師們經(jīng)常用來驗證大氣壓存在的覆杯實驗，因為實驗器材取用方便，操作容易，而且效果明顯，所以此實驗成為初中物理課堂上一個傳統(tǒng)而重要的實驗項目。

圖1 覆杯實驗

1 覆杯實驗的做法和解釋

1.1 實驗?zāi)康?/h3>

證明大氣壓的存在。

1.2 實驗器材

玻璃瓶、適量水、塑料片。

1.3 實驗步驟

(1)取一個空玻璃瓶，用一個面積比玻璃瓶口略大一些的硬紙片蓋住玻璃瓶瓶口。

(2)用手輕輕按住硬紙片，將玻璃瓶倒置過來。松開手后，觀察硬紙片是否會從空玻璃瓶口脫落。

(3)在玻璃瓶中裝滿水，用硬紙片蓋住玻璃瓶口，注意此過程中不要讓空氣進入瓶中。用手輕輕按住硬紙片，并將玻璃瓶倒置過來。松開手后，觀察水是否會從玻璃瓶中流出，硬紙片是否會脫落。

(4)輕輕將玻璃瓶轉(zhuǎn)動一周，觀察硬紙片是否會掉下來。

1.4 實驗現(xiàn)象

用硬紙片蓋住空玻璃瓶口，將裝置倒置后，硬紙片從空玻璃瓶口脫落。在玻璃瓶中裝滿水，用硬紙片蓋住玻璃瓶口，將裝置倒置后，玻璃瓶中的水沒有流出，硬紙片貼在瓶口并未脫落。向各個方向旋轉(zhuǎn)玻璃瓶，硬紙片均緊貼在玻璃瓶口不掉下來，瓶中的水也沒有流出。

1.5 分析與論證

1.5.1 問題1：硬紙片為什么會從倒置的空玻璃瓶口掉下來

分析：空玻璃瓶中有空氣，將玻璃瓶倒置后，硬紙片的上下表面都有空氣，如果大氣存在著壓強，則硬紙片上、下表面受到的大氣壓強相等，硬紙片由于自身重力作用而向下墜落；如果大氣中不存在壓強，即硬紙片的上、下表面都不受大氣的壓力，同樣硬紙片由于重力而下落。

1.5.2 問題2：裝滿水后，為什么硬紙片附在倒置的瓶口掉不下來

分析：玻璃瓶中裝滿水后，將玻璃瓶倒置后，硬紙片的上方只有水而不存在空氣，肯定不受大氣壓的作用，而硬紙片的下表面仍然有空氣。硬紙片由于水的壓力和重力作用不下落，說明硬紙片的下表面肯定受到了一個向上的力，這個力的施力物體只有空氣，所以，這個實驗很好地說明了大氣壓強的存在。

1.5.3 問題3：旋轉(zhuǎn)裝滿水的玻璃瓶，硬紙片為什么沒有掉下來

分析：由于硬紙片的一邊有水，會受到水的作用力，而另一邊只有空氣。硬紙板不脫落，說明受到了大氣對硬紙板的壓力，這一步實驗說明了在大氣內(nèi)部向各個方向都有壓強。

2 覆杯實驗的小小改進

2017年3月和2018年3月，湖北名師文久江工作室組織了2次示范課活動，恰巧兩位教師都根據(jù)學(xué)校教學(xué)進度選擇了 “大氣壓強”一課。2018年3月，由主持人親自在荊州市東方紅中學(xué)上展示課；2019年3月，工作室成員、首批 “一師一優(yōu)課，一課一名師”活動部級優(yōu)課獲獎?wù)呃畲浩G教師在荊州市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)岑河農(nóng)場中學(xué)講授這節(jié)課內(nèi)容。2次課可謂時隔一年的 “同課異構(gòu)體”，兩位教師都采用的是學(xué)生自主完成覆杯實驗并進行論證、解釋的教學(xué)方法，其中給聽課教師震撼較大的是對覆杯實驗中的一些小改進。

2.1 水的改進

2.1.1 水量多少的改變

在2017年的實驗中，有2個小組的實驗操作中玻璃瓶中的水并沒有灌滿，將玻璃瓶倒置后，可以看到玻璃瓶底 (倒置后在上方)有一些空隙，也就是瓶內(nèi)進入了少量的空氣，實驗中硬紙片也沒有掉下來。由此說明，玻璃瓶中進入少量的空氣也是可以的。從力的平衡知識可知，玻璃瓶倒置后，硬紙片受到水和空氣往下的壓力，也受到空氣對它往上的壓力，如果硬紙片受到向上的壓力大于 (等于)受到的向下壓力和硬紙片自身重力之和，仍然可以將硬紙片緊緊壓在玻璃瓶口而不掉下來。

也就是說，無論玻璃瓶中是否裝滿水，或是改變瓶中水的質(zhì)量 (適量改變)，覆杯實驗都能成功。

2.1.2 水顏色的改變

2017年實驗時，教師給學(xué)生提供的是自來水。因為水是無色的，在觀察時，效果不是很明顯。為了增加實驗效果的可視性，2018年，李老師為學(xué)生提供的是滴入了紅墨水的水，改變水的顏色后，學(xué)生和聽課教師觀察起來就更清楚一些。

2.2 容器形狀改進

由于是學(xué)生分組實驗，2017年授課中，教師給每個小組提供的器材是略有不同的，有玻璃瓶、空罐頭瓶、大試管、小試管、平底燒杯、茶杯等。在每個小組展示的環(huán)節(jié)中，學(xué)生一個個目瞪口呆，原以為只有玻璃瓶 (杯)可以做這個實驗，不想教師提供的各式各樣、形狀各異、取材于生活中的這么多東西都可以作為器材完成覆杯實驗。

2.3 硬紙板的改進

傳統(tǒng)的覆杯實驗采取的是硬紙板，2017年上課時，教師利用的是廢舊撲克牌，撲克牌讓人聯(lián)想到娛樂游戲，這個替代比較好理解。而2018年給學(xué)生提供的器材不是硬紙板，而是一個個乒乓球，讓人聯(lián)想到 “國球”運動，以乒乓球替代硬紙板做出來的覆杯實驗讓學(xué)生和聽課教師更感到震撼。通過取材生活、操作簡單、略有改進的小實驗，讓學(xué)生體驗到 “物理就在身邊”，增添了物理學(xué)習(xí)的親切感。