漫谈覆杯实验
张伯林
摘 要： 用实验证明大气压的存在，覆杯实验是教师一个很好的选择，在进行实验时往往会遇到一些问题，为了能让教师顺利完成此实验，本文从实验选材、实验技巧以及实验现象的解释等各方面进行了比较详细的说明，希望对教师有所帮助.
关键词： 覆杯实验;实验选材;实验技巧;现象解释
讲授大气压强一节，首先要向学生证明大气压的存在，教学中可供选择的证明实验特别多，由于课时所限，实验必须有所取舍.教师们在选择实验时，都比较偏爱覆杯实验，其原因不外乎有这样几点，一是覆杯实验非常贴近学生的生活，不管是在课堂上还是在家里，学生都能比较容易的找到实验器材.二是覆杯实验非常具有趣味性，学生都非常愿意动手实验，在实验中学生也比较容易发现更多的问题：为什么有的同学容易做成功，有的不易成功？为什么有的同学杯子没装满水也能成功……这样比较容易引发学生再思考.三是覆杯实验的可视性强，现象直观、明显，有助于学生思考问题.因此覆杯实验有不可替代的优势，它也成为一个较为经典的证明大气压存在的实验.下面结合笔者经验谈几个关于覆杯实验的问题.
1 实验器材的选用
1.1 覆杯实验
很多教师做覆杯实验时，一般都把注意力放在选用什么样的纸片上，而忽略了杯子的选择，什么样的杯子比较好呢？关键一点就是，杯口一定要光滑平整.笔者发现，生活中很多杯子的杯口是不平整的，使用这样的杯子做实验，即使选用的“纸片”再好，也可能会在杯口与纸片之间留有缝隙，给实验带来困难.
《中学物理》2018年第4期32页，“覆杯实验再探究”中，关于杯子的形状的选择是这样陈述的：提供以下三种形状的杯子（杯子的底面積相同，高度相同）：
最佳选择是容器2.
选择理由是三个形状的容器装满水倒置，杯盖受的水的压强相同，但容器2的杯口小，受到水的压力小.
其实文章作者忽略了一个问题，容器2的杯口小，受到的水的压力小，而同时杯盖受到的大气的压力也小了.
问题的关键不是杯子的形状影响到了实验，而是杯口的大小，杯子口大不容易实验也不是因为水的这点压力（水的这点压强在大气压强面前已经到了可以忽略的地步），而是“纸片”放在大杯口上容易变形，跟杯口产生缝隙，造成漏水，使实验失败.选用合适的“纸片”可以有效的解决这个问题.
1.2 “纸片”的选用
实验中大家一般选用纸质材料制作“纸片”，例如A4纸、卡纸等，笔者发现，只要选用的纸质材料，实验中就容易被润湿，从而因变形而漏水，实验失败.
笔者曾经把石蜡熔化浸润在A4纸上做成蜡纸，有一定的防水效果，覆杯实验的成功率大大提高，老师们可以借鉴一下.
还有一种材料做为“纸片”使用效果特别好，就是家庭用的PVC桌布（如图1所示）， 这种材料的特点就是有韧性、强度大、与杯口贴合度高.这样的桌布往往比较厚，其实它是由几层压合而成，很容易分开，揭下一层剪成比杯口稍大的圆片即可（如图2所示）.
选取了合适的器材，实验就随心所欲了.另外还有一个小技巧就是，杯子装满水盖上纸片后，用手轻轻压一下纸片的中间部位，使其稍稍下凹，可以大大提高实验成功率.其原因是，当把杯子倒置时，水压在“纸片”上会导致“纸片”有所下移，如果“纸片”放在杯口上时是平的，此时的“纸片”会因下移而跟杯口脱离，容易造成漏水.如果提前按压一下“纸片”，可为倒置杯子时“纸片”的下移预留出空间，从而避免了“纸片”与杯口的脱离，提高了实验的成功率.
2 覆杯实验中如何破解“纸片被粘住”的疑问
有些学生在看到覆杯实验的时候，往往会产生这样的疑问：“纸片”掉不下来是不是被水粘住了？比较传统的解决方法是，选用一只透明的塑料杯，在杯底打个孔，做覆杯实验时，用手堵住小孔，加满水后将杯子倒置，水不能流出，打开小孔后，“纸片”落下，水流出.从而证明“纸片”不是被水粘住的.用此方法时要注意孔径不要太小，如果太小的话，可能会因为水的表面张力作用，空气不能进入杯子，水流不出来.
下面介绍另一种办法，用到的器材有：杯子，一盒钩码，软塑料片，硬塑料片（例如羽毛球筒上的塑料盖、口香糖瓶盖等）.
杯盖的制作：将软塑料片剪成比杯口稍大的圆形，将硬塑料片剪成比杯口稍小的圆形，并在其中部扎两个小眼儿，类似于衣服扣子，在两个小眼儿中穿入细线，然后用热熔胶将硬塑料圆片粘到软塑料片的中部，（如图3所示）.
实验操作：将杯子加满水，用制作好的杯盖盖好，轻压中部，然后将杯子倒置，水流不出来.将钩码挂在杯盖预留的细线上，逐渐增加钩码个数，看看能悬挂上几个钩码（如图4所示）.
这样改进实验，既能消除“纸片被粘住”的疑问，又能激发学生的学习兴趣，学生热情高涨，可以带来良好的课堂气氛.
3 杯子不装满水的覆杯实验
3.1 实验方法
2018年《中学物理》第四期，《两个生活化中学物理实验的再探究》中提到：“经实验验证（水不加满来做这个实验）完全可以，只要杯中水大于三分之二，由于大气压比较大的原因，都可以顺利完成实验.”
笔者经过实验发现，“杯中水大于三分之二”的条件并不是一概而论的，要看实验选用的“纸片”材质，如果选材较软，实验方法适当，杯中装任意水量都可以完成覆杯实验.软质材料，前面提到PVC塑料桌布的材料就很好.实验方法也很简单，在杯中加入任意量的水，盖上塑料片，用手适当下压塑料片，让其稍向杯内凹下，但一定不要用力过大，以免使塑料片的边缘翘起与杯口脱离，导致覆杯时漏水而失败.如果选材较硬并且质量较大，比如玻璃板，“杯中水大于三分之二”恐怕也不行，水量还要增多.
3.2 “半杯水”覆杯实验的成因
杯子不装满水也能做覆杯实验，其成功的原因可分为两种情况.一种情况是，实验“纸片”选用的材料比较软，比如A4纸、卡纸或者前文提到的PVC塑料桌布等，这样的材料容易发生形变，当把这样的“纸片”放在杯口上，它会在重力作用下向杯子内部凹陷，实验时还要用手扶着纸片将杯子倒置，在“用力扶着”这个力的作用下，纸片也会内凹，杯子倒置后，杯内的水压在“纸片”上，“纸片”中部又会向杯口外部偏移，此时“纸片”可能又向杯口外部突出，也可能看上去“纸片”还是凹向杯内，不管怎样，杯内空气体积相比覆杯之前都变大了，根据波——马定律可知，杯内气体的压强减小了，小于外界大气压强，所以纸片不会掉下来.
另一种情况是，“纸片”的材质比较硬，比如光滑的木板、玻璃板等，这样的材料很不容易形变.如果实验中选用的是玻璃板，当玻璃板盖在杯口上时，玻璃板几乎不发生形变，杯内气压不变，等于外界大气压.当杯子倒置后，假设玻璃板还是紧靠在杯口上，也就是说杯内气体的体积没有发生变化，此时，杯内气压依然等于大气压强，玻璃板和水因缺乏支撑必然下落，当他们稍有下落，杯内空气的体积就会变大，气压就会减小，当P内S=P0S-ρghS-G玻时，玻璃板停止下落.据测算，玻璃板只需要下移10-4m数量级的距离（此距离与杯子内空气的多少有关，空气越多此距离越大）就可以满足上述条件.虽然用玻璃板也能成功，但难度较大，因为杯子倒置時，玻璃板跟杯口之间已经脱离，玻璃板极易滑动，杯子稍有倾斜玻璃板就会滑落，所以实验时尽量选用轻一点的玻璃板，杯子里的水也不能太少.
2018年《物理教师》39卷第一期《对一道值得商榷的中考试题的探讨》一文，只观察并解释了第二种情况，对第一种情况的存在进行了否定，这是不合理的.
最后再分享一个覆杯实验，器材：一个直径10cm、高17cm的玻璃瓶（瓶子比较大），一块长18cm、宽12cm、厚2cm的有机玻璃板（玻璃板质量比较大）.
因选用的瓶子瓶口不太平整，所以首先对瓶口进行磨制，把一张水磨砂纸（180cw）铺在光滑平整的桌面上，瓶口在砂纸上旋转磨平.
瓶中加入大约13cm深的水（水再少就不容易完成实验了），盖上有机玻璃板并用力向下压玻璃板的中部，使其尽量下凹，此时瓶内空气被压缩，稍微掀动玻璃板一角，放出瓶内部分空气，再压紧玻璃板.
手持瓶子将其倒置（注意观察是否进气，进气说明瓶口没处理好），水不流出（如图5所示），将玻璃瓶横向放置， 水依然不流出.实验完毕.
好的物理课堂离不开实验，顺利有效地完成每一个实验，对帮助学生理解物理知识以及对学生各种能力培养起到很大的作用，加强物理实验的教学是每一个物理老师的共识.在课堂上让每一个实验都能得以完美的展现，需要教师们静下心来，将实验的每一个环节吃透，包括实验原理、实验材料的选取、实验的技巧、实验现象的解释等.在这个探索过程中也许还会发现实验选用器材的不足、实验方法存在的问题……，也许经过改进，一个创新实验因此诞生.
参考文献：
[1]关善超.两个生活化中学物理实验的再探究[J].中学物理（初中版），2018（4）.
[2]马兴卫.对一道值得商榷的中考试题的探究[J].物理教师，2018，39（1）.
[3]李继兰.对覆杯实验再探讨[J].物理教学探讨，2007（8）.
摘 要： 用实验证明大气压的存在，覆杯实验是教师一个很好的选择，在进行实验时往往会遇到一些问题，为了能让教师顺利完成此实验，本文从实验选材、实验技巧以及实验现象的解释等各方面进行了比较详细的说明，希望对教师有所帮助.
关键词： 覆杯实验;实验选材;实验技巧;现象解释
讲授大气压强一节，首先要向学生证明大气压的存在，教学中可供选择的证明实验特别多，由于课时所限，实验必须有所取舍.教师们在选择实验时，都比较偏爱覆杯实验，其原因不外乎有这样几点，一是覆杯实验非常贴近学生的生活，不管是在课堂上还是在家里，学生都能比较容易的找到实验器材.二是覆杯实验非常具有趣味性，学生都非常愿意动手实验，在实验中学生也比较容易发现更多的问题：为什么有的同学容易做成功，有的不易成功？为什么有的同学杯子没装满水也能成功……这样比较容易引发学生再思考.三是覆杯实验的可视性强，现象直观、明显，有助于学生思考问题.因此覆杯实验有不可替代的优势，它也成为一个较为经典的证明大气压存在的实验.下面结合笔者经验谈几个关于覆杯实验的问题.
1 实验器材的选用
1.1 覆杯实验
很多教师做覆杯实验时，一般都把注意力放在选用什么样的纸片上，而忽略了杯子的选择，什么样的杯子比较好呢？关键一点就是，杯口一定要光滑平整.笔者发现，生活中很多杯子的杯口是不平整的，使用这样的杯子做实验，即使选用的“纸片”再好，也可能会在杯口与纸片之间留有缝隙，给实验带来困难.
《中学物理》2018年第4期32页，“覆杯实验再探究”中，关于杯子的形状的选择是这样陈述的：提供以下三种形状的杯子（杯子的底面積相同，高度相同）：
最佳选择是容器2.
选择理由是三个形状的容器装满水倒置，杯盖受的水的压强相同，但容器2的杯口小，受到水的压力小.
其实文章作者忽略了一个问题，容器2的杯口小，受到的水的压力小，而同时杯盖受到的大气的压力也小了.
问题的关键不是杯子的形状影响到了实验，而是杯口的大小，杯子口大不容易实验也不是因为水的这点压力（水的这点压强在大气压强面前已经到了可以忽略的地步），而是“纸片”放在大杯口上容易变形，跟杯口产生缝隙，造成漏水，使实验失败.选用合适的“纸片”可以有效的解决这个问题.
1.2 “纸片”的选用
实验中大家一般选用纸质材料制作“纸片”，例如A4纸、卡纸等，笔者发现，只要选用的纸质材料，实验中就容易被润湿，从而因变形而漏水，实验失败.
笔者曾经把石蜡熔化浸润在A4纸上做成蜡纸，有一定的防水效果，覆杯实验的成功率大大提高，老师们可以借鉴一下.
还有一种材料做为“纸片”使用效果特别好，就是家庭用的PVC桌布（如图1所示）， 这种材料的特点就是有韧性、强度大、与杯口贴合度高.这样的桌布往往比较厚，其实它是由几层压合而成，很容易分开，揭下一层剪成比杯口稍大的圆片即可（如图2所示）.
选取了合适的器材，实验就随心所欲了.另外还有一个小技巧就是，杯子装满水盖上纸片后，用手轻轻压一下纸片的中间部位，使其稍稍下凹，可以大大提高实验成功率.其原因是，当把杯子倒置时，水压在“纸片”上会导致“纸片”有所下移，如果“纸片”放在杯口上时是平的，此时的“纸片”会因下移而跟杯口脱离，容易造成漏水.如果提前按压一下“纸片”，可为倒置杯子时“纸片”的下移预留出空间，从而避免了“纸片”与杯口的脱离，提高了实验的成功率.
2 覆杯实验中如何破解“纸片被粘住”的疑问
有些学生在看到覆杯实验的时候，往往会产生这样的疑问：“纸片”掉不下来是不是被水粘住了？比较传统的解决方法是，选用一只透明的塑料杯，在杯底打个孔，做覆杯实验时，用手堵住小孔，加满水后将杯子倒置，水不能流出，打开小孔后，“纸片”落下，水流出.从而证明“纸片”不是被水粘住的.用此方法时要注意孔径不要太小，如果太小的话，可能会因为水的表面张力作用，空气不能进入杯子，水流不出来.
下面介绍另一种办法，用到的器材有：杯子，一盒钩码，软塑料片，硬塑料片（例如羽毛球筒上的塑料盖、口香糖瓶盖等）.
杯盖的制作：将软塑料片剪成比杯口稍大的圆形，将硬塑料片剪成比杯口稍小的圆形，并在其中部扎两个小眼儿，类似于衣服扣子，在两个小眼儿中穿入细线，然后用热熔胶将硬塑料圆片粘到软塑料片的中部，（如图3所示）.
实验操作：将杯子加满水，用制作好的杯盖盖好，轻压中部，然后将杯子倒置，水流不出来.将钩码挂在杯盖预留的细线上，逐渐增加钩码个数，看看能悬挂上几个钩码（如图4所示）.
这样改进实验，既能消除“纸片被粘住”的疑问，又能激发学生的学习兴趣，学生热情高涨，可以带来良好的课堂气氛.
3 杯子不装满水的覆杯实验
3.1 实验方法
2018年《中学物理》第四期，《两个生活化中学物理实验的再探究》中提到：“经实验验证（水不加满来做这个实验）完全可以，只要杯中水大于三分之二，由于大气压比较大的原因，都可以顺利完成实验.”
笔者经过实验发现，“杯中水大于三分之二”的条件并不是一概而论的，要看实验选用的“纸片”材质，如果选材较软，实验方法适当，杯中装任意水量都可以完成覆杯实验.软质材料，前面提到PVC塑料桌布的材料就很好.实验方法也很简单，在杯中加入任意量的水，盖上塑料片，用手适当下压塑料片，让其稍向杯内凹下，但一定不要用力过大，以免使塑料片的边缘翘起与杯口脱离，导致覆杯时漏水而失败.如果选材较硬并且质量较大，比如玻璃板，“杯中水大于三分之二”恐怕也不行，水量还要增多.
3.2 “半杯水”覆杯实验的成因
杯子不装满水也能做覆杯实验，其成功的原因可分为两种情况.一种情况是，实验“纸片”选用的材料比较软，比如A4纸、卡纸或者前文提到的PVC塑料桌布等，这样的材料容易发生形变，当把这样的“纸片”放在杯口上，它会在重力作用下向杯子内部凹陷，实验时还要用手扶着纸片将杯子倒置，在“用力扶着”这个力的作用下，纸片也会内凹，杯子倒置后，杯内的水压在“纸片”上，“纸片”中部又会向杯口外部偏移，此时“纸片”可能又向杯口外部突出，也可能看上去“纸片”还是凹向杯内，不管怎样，杯内空气体积相比覆杯之前都变大了，根据波——马定律可知，杯内气体的压强减小了，小于外界大气压强，所以纸片不会掉下来.
另一种情况是，“纸片”的材质比较硬，比如光滑的木板、玻璃板等，这样的材料很不容易形变.如果实验中选用的是玻璃板，当玻璃板盖在杯口上时，玻璃板几乎不发生形变，杯内气压不变，等于外界大气压.当杯子倒置后，假设玻璃板还是紧靠在杯口上，也就是说杯内气体的体积没有发生变化，此时，杯内气压依然等于大气压强，玻璃板和水因缺乏支撑必然下落，当他们稍有下落，杯内空气的体积就会变大，气压就会减小，当P内S=P0S-ρghS-G玻时，玻璃板停止下落.据测算，玻璃板只需要下移10-4m数量级的距离（此距离与杯子内空气的多少有关，空气越多此距离越大）就可以满足上述条件.虽然用玻璃板也能成功，但难度较大，因为杯子倒置時，玻璃板跟杯口之间已经脱离，玻璃板极易滑动，杯子稍有倾斜玻璃板就会滑落，所以实验时尽量选用轻一点的玻璃板，杯子里的水也不能太少.
2018年《物理教师》39卷第一期《对一道值得商榷的中考试题的探讨》一文，只观察并解释了第二种情况，对第一种情况的存在进行了否定，这是不合理的.
最后再分享一个覆杯实验，器材：一个直径10cm、高17cm的玻璃瓶（瓶子比较大），一块长18cm、宽12cm、厚2cm的有机玻璃板（玻璃板质量比较大）.
因选用的瓶子瓶口不太平整，所以首先对瓶口进行磨制，把一张水磨砂纸（180cw）铺在光滑平整的桌面上，瓶口在砂纸上旋转磨平.
瓶中加入大约13cm深的水（水再少就不容易完成实验了），盖上有机玻璃板并用力向下压玻璃板的中部，使其尽量下凹，此时瓶内空气被压缩，稍微掀动玻璃板一角，放出瓶内部分空气，再压紧玻璃板.
手持瓶子将其倒置（注意观察是否进气，进气说明瓶口没处理好），水不流出（如图5所示），将玻璃瓶横向放置， 水依然不流出.实验完毕.
好的物理课堂离不开实验，顺利有效地完成每一个实验，对帮助学生理解物理知识以及对学生各种能力培养起到很大的作用，加强物理实验的教学是每一个物理老师的共识.在课堂上让每一个实验都能得以完美的展现，需要教师们静下心来，将实验的每一个环节吃透，包括实验原理、实验材料的选取、实验的技巧、实验现象的解释等.在这个探索过程中也许还会发现实验选用器材的不足、实验方法存在的问题……，也许经过改进，一个创新实验因此诞生.
参考文献：
[1]关善超.两个生活化中学物理实验的再探究[J].中学物理（初中版），2018（4）.
[2]马兴卫.对一道值得商榷的中考试题的探究[J].物理教师，2018，39（1）.
[3]李继兰.对覆杯实验再探讨[J].物理教学探讨，2007（8）.
