探究“覆杯实验”的奥秘(注:本文已经在国家级核心刊物《物理教学》2006年第9期上发表,文中图示未显示)
1 问题的提出 在初中物理大气压强一节教学中,常常可以在教材上和各种教学参考资料中看到“覆杯实验”,我们教师也常常采用这个实验来演示大气压的存在,简单的器材和出乎意料的实验结果确实能吸引学生们的注意力,激发学生们的学习兴趣。可是笔者在利用这个实验进行教学演示时发现,越是“光滑”的受托面(如很滑的玻璃纸),越是不容易做成这个实验;并且在做这一实验时大气压似乎显得“很小”,稍微有所干扰,纸片就掉了下来,但是通过理论计算却发现并不应该如此,比如利用一只内径为5.4cm的玻璃杯开展实验,在一个标准大气压的条件下,大气压约能托起231.3N的重量,但为什么托起一张小小的纸片会如此“费劲”呢?有不少热爱探究的学生在学完了这部分内容后,也常会对这个实验提出疑问:“既然一标准大气压约能支持10m高的水柱,为何托起一杯水和一张小卡片会有困难呢?”难道纸片并非是在大气压的作用下“托起的”?那么“覆杯实验”的成功奥秘到底是什么原因呢?为此,笔者设计了如下实验进行了探究。 2 实验探究1:杯口到底能加多重的纸片?
器材准备:物理天平;圆柱形玻璃杯一个(直径D=5.4cm),装满水后水的质量为186g;气压计;9.9×8.4cm2硬纸卡片(每片质量为3.9g且一面较光滑,在短时间内不会被浸湿)若干张; 实验观察记录如下表1:
表1
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托片情况
项目 |
一张卡片 |
两张卡片 |
…… |
六张卡片 |
七张卡片 |
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大气对杯口压力(N) |
231.3 |
231.3 |
…… |
231.3 |
231.3 |
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水和托片总重量(N) |
1.899 |
1.938 |
…… |
2.094 |
2.133 |
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现象记录 |
卡片不掉落且与
杯口结合较紧密 |
与前同 |
…… |
卡片和水间略有间隙,不
稳定,略微晃动即掉落 |
卡片掉落 |
3 分析和进一步探究
从记录的数据来看,231N远大于水和托片的总重量,但如此巨大的大气压力却只能托起六张小小的卡片,且笔者注意到卡片和水之间出现了间隙,因而可以基本得出卡片被“托住”并非大气压的作用。为此,笔者重新用一张卡片进行了实验,在卡片与水之间用细钢针挑开一定的小角度,使杯内的水与大气接触。结果卡片也没有掉下,进一步否定了大气压的作用;同时可以观察到水的扩大外延情况,这是水对卡片的浸润作用所造成的,我们知道,当液体对物体浸润时会产生吸引作用,由此产生猜想:卡片不掉下是否是因为水浸润卡片时附着力对纸片作用的结果?
4 探究实验2:纸片的被“托”与水的浸润附着力有关 为了验证这一猜想,必须对比探究卡片不被水浸润的情况,因此笔者从实验室里找来不被水浸润的石蜡,并用酒精灯使之熔化在敞口大容器中,然后将杯口和卡片一面分别浸入石蜡液体中使石蜡附着在上面,重新做“覆杯实验”,结果卡片一下子就掉了下来,如表2:
表2
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托片情况
接触面情况 |
一张卡片 |
浸润情况 |
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表面不涂石蜡 |
放手后卡片不下落且与杯口结合紧密, |
浸润 |
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表面涂着石蜡 |
放手后卡片马上下落 |
不浸润 |
根据这个实验,我们可以说“覆杯实验”中的卡片并非是由大气压“托”住的,而是被水面“吸附”住的。根据这个结论,笔者就进一步设想如果用不同的液体做“覆杯实验”,由于各种液体的表面张力和对卡片的浸润情况不同,杯口下面所能“吸附”卡片的最大重量应该是不相同的。
5 探究实验3:不同液体对卡片的“吸附”作用 为了得到证实,笔者分别选用了食用油、水、肥皂水、酒精等液体进行对比,探究 了“覆杯实验”中不同液体对卡片的“吸附”作用,实验结果见下表3:
表3
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托片情况
液体名称 |
最多“吸附”的卡片数 |
注意事项 |
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食用油 |
9 |
盖上卡片前要刮去泡沫 |
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水 |
6 |
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肥皂水 |
3 |
盖上卡片前要刮去泡沫 |
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酒精 |
3 |
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从上面的实验记录可以发现,如果选用不同的液体来做“覆杯实验”,其效果是不相同的,同时“覆杯实验”中那种一纸“托”杯水的奇妙效果,并非象我们原先所说的那样简单,可以说并不是纸片托住了水,而是水吸住了纸片。 6 分析思考 (1)对于“覆杯实验”,我们教师在解释纸片为什么能够托住一杯水时,往往会忽略现象背后存在的问题,并错误地认为:由于大气压托住了纸片,从而使一张小小的纸片托住了满满的一杯水。殊不知这种自圆其说的误导对学生的负面影响是巨大的,特别是一些学习能力较强的学生,如果他们在质疑这种说法时得不到满意的答案,那么只能被动接受老师的牵强之说,既不利于培养学生对事物建立科学的认识,又不利于学生养成主动探究真理的科学精神,其实这类情形在中学物理教学中并不少见。所以笔者认为,在初中物理实验教学中选择“覆杯实验”来演示说明大气压强的存在并不是很合适。 (2)相对于用“覆杯实验”来说明大气压强的存在,事实上还有许多更直观、更有说服力的趣味实验可以选择。例如苏科版物理教材八年级(下册)所举的大气挤压易拉罐的实验,用易拉罐盛少量的水,放到酒精灯火焰上加热,然后用一些橡皮泥封住罐口,过一会儿易拉罐会变瘪。还有诸如“瓶口吞蛋”、“水中取硬币”等趣味性较强的实验都可以起到很好的教学效果。 (3)对于 “覆杯实验”中所体现出来的知识性和探究性,笔者认为,如果作为一个完整的探究过程安排学有余力的学生来开展研究或许也是可行的,不过这需要老师有步骤的做好指导,既要能让学生“吃饱、吃好“,又要为将来的学习留有余地。
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