“覆杯”实验创新与拓展设计方案

王来喜

(宣城市水阳中心初中　安徽 宣城　242044)



“覆杯”实验创新与拓展设计方案

王来喜

(宣城市水阳中心初中安徽 宣城242044)

通过对“覆杯”实验的创新与拓展，提高了学生的学习兴趣，提高了课堂教学效果.

覆杯实验创新拓展

1　实验课题

对“覆杯”实验进行创新与拓展.

2　教材内容

适用于初中物理各种版本教材的“大气压强”教学，该节内容主要围绕大气压强存在的实验证明、大气压强的大小(托里拆利实验)和大气压强的应用.

3　实验或实验器材在教材中所处的地位与作用

初中物理“大气压强”，每上到这一节，绝大多数教师都要给学生演示“覆杯实验”. 通过“覆杯实验”的演示，能说明大气压存在和大气内部向各个方向都有压强，该实验简单易做，现象直观，又与学生的认知产生矛盾，能引起学生的极大兴趣.“覆杯实验”包含着朴素的物理基本原理，花费的时间很少，学生经观察、思考、推理后，既能解决疑问，又能开拓学生学习的思路，丰富学生的实践经验，所以“覆杯实验”被广泛应用于教学中.

笔者所设计的“覆杯”实验不仅具备原实验的功效，而且成功率更高，还能形象解释大气压把液体压进口腔或抽水机的原理.由于“托里拆利实验”要用到有毒物质水银，很少有教师动手演示该实验，而这一实验对于大气压强的教学又很重要，所以一般采用多媒体视频或仿真实验的形式替代，让学生理解有点牵强.笔者所设计的“覆杯”实验，不仅可以自然过渡迁移到“托里拆利实验”，还能为“托里拆利实验”积累感性认识，做好铺垫，让学生更易于理解“托里拆利实验”的原理和设计.

4　实验原型及不足之处

4.1实验原型

覆杯实验，实际上是一项演示实验，实验装置见图1.

图1　覆杯实验

如图1所示，将一个杯子灌满水，取一纸片(或玻璃片、薄铁片)盖于杯口．然后用手扶着纸片将杯子缓慢倒置后，再放开扶纸片的手．水竟不落下来! 如此说明空气对纸片有压力，即说明大气压强的存在．4.2不足之处[1]

(1)有学生认为，纸片弄湿以后，就可以粘在杯口了(图2),不能证明大气压的存在.

图2　纸片弄湿后可粘在杯口

(2)采用较薄的纸片，浸湿后较软，不耐久易破裂，当杯口稍移动时，由于大气压强的作用，会使软纸片发生比较大的形变，此时在杯口部分产生大量褶皱从而水会从缝隙中流出，导致实验失败.

(3)用硬纸片做覆杯实验时，如果仔细观察，还会发现一个奇妙的现象，即把容器倒过来时硬纸片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，内外有压强差，才将硬纸片和水托住，为验证大气在各个方向都有压强，需要将杯口向前后左右旋转，演示水仍然不会落下，而这时可能由于硬纸片过重而滑落下来，导致实验失败.

(4)无色透明的水不能引起学生感官上的刺激，不直观，特别是教室后排的学生.

(5)实验的拓展性不足，导致课堂教学环节转换到“托里拆利实验”不够流畅，学生理解“托里拆利实验”原理和设计及大气压大小的计算有困难.

5　实验创新原理与拓展[2]

(1)将橡皮塞塞进两端开口的玻璃管一端，玻璃管就变成了一个“杯子”.玻璃管中灌满水后，另一端蒙上保鲜膜，倒置后，因为大气压的作用，水不落下；拔掉塞子后水上下受压，等于大气压相互抵消，水就在重力作用下落下来了.排除了保鲜膜弄湿以后粘在杯口，将水托住的可能.

(2)用保鲜膜蒙在玻璃管的管口，因为保鲜膜弹性很好，即使管口不平整，也能保证密封性，实验成功率大大提高.管口向前后左右旋转，保鲜膜很轻且包裹了管口，演示时可以确保水不会落下.

(3)实验采用淡淡的红墨水能引起学生感官上的刺激，特别是教室后排的学生，也能直观地看见实验现象.

(4)为饮料吸进口中和抽水机的原理做解释.

倒出水后，一端塞好橡皮塞，玻璃管开口端插入水槽，当没入水面后，再用大针筒经橡皮塞从玻璃管中抽气，发现有水进入玻璃管.

(5)打开上面的塞子，液面下降，再次证明液体的上升是由于大气压的原因(有助于学生理解托里拆利实验中，玻璃管顶部破裂，液面将下降，提供了感性认识).

(6)引导学生思考下面问题

问1：前面的覆杯实验中，为什么水没有落下？(学生答：大气压托住了)

问2：大气压强可以托起多高的水柱呢？(学生很疑惑，不知道答案，但激发了学生的探究欲望)

教师演示：取一根更长的玻璃管重复覆杯实验，发现还是可以托住.

问3：大气压强最大可以托起多高的水柱呢？怎么办？(生：再取更长一点的玻璃管重复实验)

教师明确：大气压最大可以托起约10m高的水柱，如果要验证该结论，操作上会很麻烦，我们不妨转换思考问题的方向，来探究大气压强可以托起密度比水大得多的水银柱的高度.

(这样就很自然过渡到了“托里拆利实验”，学生对它的原理和设计也容易接受、理解)

6　实验器材

两端开口的玻璃管长、短各1根，橡皮塞2个，保鲜膜1张，注射器(含针)1支，红墨水，水槽1个，烧杯1个.(见图3)

图3　创新实验的实验器材

7　实验步骤与现象预见

7.1证明大气存在压强

步骤1：用橡皮塞塞进两端开口的玻璃管一端，玻璃管就变成了一个“杯子”.玻璃管中灌满水后，另一端蒙上保鲜膜，倒置后，放手，因为大气压的作用，水不落下.

步骤2：拔掉塞子后水上下受压，等于大气压相互抵消，水在重力作用下落下来了.

7.2解释大气压把液体压进口腔或抽水机的原理

步骤3：倒出水后，将玻璃管一端塞好橡皮塞，开口端插入水槽，当开口端没入水面后，再用大针筒经橡皮塞从大玻璃管中抽气，发现有水进入玻璃管.

7.3为托里拆利实验作铺垫 积累感性认识

步骤4：拔掉塞子，液体下降至与水槽内水面齐平.

步骤5：取一根更长的玻璃管重复“覆杯”实验，发现还是可以托住.

8　实验注意事项

(1)注意密封性.保鲜膜与玻璃管口，橡皮塞与玻璃管口.

(2)保鲜膜的大小以包裹管口3～5cm为宜，过小密封性不够，过大易给学生造成水没有落下是因为保鲜膜粘在玻璃管所致的错觉.

9　实验成功与反思

该实验的改进弥补了原实验的不足，能形象解释抽水机和吸饮料的原理，并且能更好地为后面的托里拆利实验做铺垫，实验结论直接、原理明了，便于学生理解大气压的知识.该实验仪器来源于实验室常用的仪器和生活用品，起到提高学生探究热情，发散学生思维的作用，同时也提高了学生解决实际问题的能力.

1陶本友．覆杯实验的新设计和新发现．物理通报，2011(3)：66～67

2宏福主．21世纪中学物理创新教学实验设计与探索全书．呼和浩特：内蒙古少年儿童出版社，1999．241

2016-01-20)