覆杯实验的再探索——例谈大气压在中国古代的应用

刘沁心

(南京师范大学附属中学江宁分校 江苏 南京 211102)

1 引言

中国古代劳动人民对大气压的了解与利用历史悠久，医疗方面有利用负压的拔火罐，农业方面有可以隔山取水用于灌溉的“渴乌”，甚至军事方面也有可以灭火喷火的唧筒式器械.本文从大家熟悉的“覆杯实验”入手[1]，步步深入，逐步引出几种与生活息息相关的古代器具，体现了课标“从生活走向物理，从物理走向社会”的思想.

2 探究流程

2.1 覆杯实验

2.1.1 满水覆杯

演示实验1：水杯装满水，用橡胶杯盖(如图1)作盖片扣在杯口，做覆杯实验，如图2所示.

图1 橡胶杯盖

图2 用底部带孔的杯子做实验

问题：为什么水与盖片没有掉落？

阶段结论：大气压托住了盖片和水.

新的质疑：会不会是水“黏”住了盖片？

演示实验2：盖片和水都“听”老师的命令，教师偷偷松开堵住杯子底部小孔的手指，水与盖片瞬间落下.

阶段结论：盖片并不是靠水黏住的.

新的质疑：老师是如何做到的？普通杯子可以实现该效果吗？

学生实验1：做覆杯实验，尝试像老师刚才一样让水与盖片瞬间下落.学生或改变杯口方向或使劲抖杯子，盖片都没掉.

阶段结论：普通杯子做不到使水与盖片瞬间下落，揭示真相，这是因为老师的杯子杯底有孔，而普通杯子杯底没有孔.

新的质疑：为什么手不捂住孔，大气压就无法托住盖片和水了？

阶段结论：盖片上下大气压一致相抵消，水和盖片受到重力作用就落下来了.

设计意图：学生对于覆杯实验最大的疑问，便是盖片是否被水分子“吸”住，本实验巧用杯底的孔，使学生意识到要是没有大气压的作用，仅靠水是“黏”不住盖片的.

2.1.2 半杯水覆杯

新的质疑：为什么有的学生刚才实验时没有装满水，实验仍然成功了呢？

学生实验2：用半杯水做覆杯实验，如图3所示.

图3 半杯水做覆杯实验

阶段结论：外界大气压大于杯内气体压强.

新的质疑：杯内气压为什么会变小呢？

阶段结论：实验要成功，手必须轻压盖片使其向内凹陷，挤出一部分空气.倒置时当手松开，盖片恢复形变或部分恢复形变，杯中气体体积变大，气压变小，如图4所示.

(a) (b)

图4 半杯水做覆杯实验原理

2.1.3 空杯覆杯

新的质疑：要是没有水，这个实验还能成功吗？

学生实验3：用空杯做覆杯实验，如图5所示.

图5 空杯做覆杯实验

阶段结论：轻轻下压盖片排出部分空气，盖片恢复形变后，杯内气体体积变大，气压变小.

新的质疑：要是用如图6款式杯盖，实验还能成功吗？为什么？

图6 带缺口的橡胶杯盖

阶段结论：覆杯实验要成功，必须使杯内气体压强或其与液体压强之和小于外界大气压.

设计意图：平时做覆杯实验，大部分教师止步于满水或未满水两种情况，尤其是在说明未满水覆杯原因时，学生理解上仍存在困难.本实验创新性地引入了空杯覆杯，使学生轻松理解了杯内气压由于体积增大而小于外界大气压.笔者试用了纸片、塑料片、玻璃片等材质，最终挑选了橡胶杯盖，它的弹性大，空杯覆杯更易成功.若做半杯水的覆杯实验，选用纸片或玻璃片做盖片也是可以成功的，原因除了盖片的形变造成瓶内气体体积变化外，有时盖片和瓶口之间有一很小的被水充满的缝隙，这一缝隙造成杯中水位下降，同样会使杯中气体体积变大，气压变小，如图7所示.

图7 用硬质盖片做覆杯实验

2.2 汲水器

2.2.1 吸管

新的质疑：没有盖片遮挡，大气能托住管中的水吗？

学生实验4：用两端开口的塑料吸管把一只杯子中的水移一些到另一只空杯中，如图8所示.

图8 装有水的杯和空杯及吸管

阶段结论：将吸管插入水中，用手指封住管口，将吸管移出水面到空杯上方，松开封住管口的手指，如图9所示.

图9 用吸管移水

新的质疑：为什么堵住管口，大气压就能托住管中的水？

学生实验5：在吸管中间适当位置标上记号，将吸管放入水中直到记号处与水面平齐，手指堵住管口，提起吸管，发现管内水面低于记号处，如图10所示.

阶段结论：上提吸管时，管中水由于重力流出一部分，导致管内气体体积增大，气压变小，外界大气压就能托住水.

图10 吸管内水面低于记号处

介绍：这个现象最早在南北朝成书的《关尹子·九药篇》中有记述[2]，它写道：“瓶存二窍，以水实之，倒泻；闭一则水不下.”中国唐代王冰在《黄帝内经 ·素问》卷二十注中也写道：“虚管溉满，捻上悬之，水固不泄.”

设计意图：此实验就是2015年南京市物理中考题.该题得分率不高，可见不少学生并不理解其中原理，也有不少教师没有做过相关演示实验.验证大气压强的实验种类繁多，五花八门，教师在有限的课堂时间里是没有办法把所有实验都演示一遍的，这就要求教师必须精选实验并教会学生举一反三.本实验中通过半杯水覆杯与空杯覆杯奠定基础，再加上记号的对比，学生很容易理解管内气体体积增大，气压减小.

2.2.2 战国青铜酒器

问题：中国古人不仅发现了大气压的这种现象，并且将之运用于实际生活中.如图11是我国战国时期的青铜汲酒器，图12为它的示意图.长柄上端与球形底部各开一小孔a,b，你知道它应该如何使用吗？

图11 战国青铜汲酒器

图12 汲酒器示意图

阶段结论：让a小孔开放，将汲酒器下方浸没到酒缸中，让球形容器内充满酒水，再堵住开口a向上提升长柄即可取酒，如图13所示.

图13 汲酒器使用方法

2.2.3 砚滴

介绍：宋代俞琰在《席上腐谈》中还说：“即如铜水滴，捻其窍则水不滴，放之则滴.” 所谓“铜水滴”，也就是一根小铜管，被用作滴水到墨砚上的小工具.这类器具又称为“砚滴”，多为陶瓷质地，可以自由控制滴下的水量以研磨.砚滴一般有两种形态，一种为滴管式，使用方法类似我们刚才用吸管汲水.如图14所示.手移开小孔，水就滴下，堵住小孔，滴水不漏.

图14 滴管式砚滴

问题：另一种砚滴就像一个没有盖子的小茶壶，顶部只有一个小孔，如图15所示.大家桌上就有一个这种形制的砚滴，你能自己琢磨一下它的使用方法吗？

图15 壶式砚滴

学生实验6：尝试使用壶式砚滴.

阶段结论：装满水后，将砚滴倾斜，若孔打开则水滴下，若手捂住孔则水不滴了，如图16所示.

新的质疑：这个砚滴让你想到了生活中的哪些用品？它们都有什么共同的特征？并解释其道理.

图16 壶式砚滴使用方法

阶段结论：茶壶、油壶、婴儿奶嘴、输液瓶等等，它们都有小孔，与外界大气相通，维持壶内外气压相等，以便壶内液体顺利流出.一旦孔被捂住，液体倒出一点就倒不出来了，如图17所示.

图17 与砚滴原理类似的生活用具

2.2.4 两心壶

介绍：大家看过电视剧《甄嬛传》吗？在最后甄嬛与果郡王见面共叙旧情的那一幕，甄嬛拿起桌上的一壶酒给自己倒了一杯，给果郡王倒了一杯.细心的观众会发现，甄嬛给自己倒酒时按住了壶盖顶部红色的珠子，给果郡王倒酒时按住了壶盖顶部绿色的珠子，如图18所示.果郡王却明白其中的奥秘，把酒换掉将自己毒死.

图18 《甄嬛传》中的两心壶

问题：这个既能倒出毒酒又能倒出无毒酒的酒壶难道只是电视剧的虚构吗？其实这个壶在我国古代是真实存在，俗称“两心壶”，这种壶最早是古人为方便服药而命人精心制成，一边装药，一边装酒做药引.根据我们今天学习的知识，你能说出它是什么原理吗？

阶段结论：这个壶内部应该分为两部分，壶嘴应该也有两个分离的通道.红绿两色珠子应该就是壶内两部分各自的通气孔.

新的质疑：我们简称红珠气孔对应的壶腔为红壶，绿珠气孔对应的壶腔为绿壶.捂住红珠孔，倒出的是毒酒，这个毒酒应该是装在红壶还是绿壶？为什么？

阶段结论：毒酒装绿壶，因为红珠孔被堵住，随着壶内酒流向壶嘴，红壶内气体体积增大，气压减小，外界大气压就抵住红壶内的酒，是倒不出来的.

介绍：大家观察一下市面上一种两心壶的构造，如图19所示.

图19 两心壶内部构造

学生实验7：利用塑料瓶、吸管、钻孔锥子、热熔胶枪等，自制一个简易两心壶.如图20所示.

图20 自制两心壶

3 总结

本案例连续介绍3种古代器具：青铜酒器、砚滴与两心壶.教师并没有一味地讲述，反而让学生根据它们的器型，自主思考它们的使用方法.虽然大部分学生以前并没有看过它们，但是经过前面覆杯实验、吸管汲水实验的层层铺垫，学生对于这种容器内部气体体积增大导致气压小于外界大气压的原理已经掌握得非常熟练了，因此,无论是使用方法还是亲自制作简易模型对学生来说都难度不大.整个探究过程极大地丰富了学生的视野，大大增强了学生的民族自豪感.

通过以上“覆杯实验”以及“青铜酒器”“砚滴”和“两心壶”3种古代器具的原理和使用方法介绍，使学生在了解我国古代大气压应用历史的同时，受到更多的激励和启示，在学习和工作中，探究和开发更多更好的大气压应用案例.