以覆杯實驗為探究對象的科學探究*

李科敏

(湖南理工學院物理與電子學院 湖南 岳陽 414006)

科學探究既是學生學習發現問題和解決問題的科學方法，也是學生在探究中經過反復體驗應該學會的學習內容，還是學生敢于探索和研究自然規律的一種精神．科學探究教學法可以促使學生從被動接受知識向主動獲取知識轉化，在培養學生的科學探究能力、實事求是的科學態度和敢于創新的探究精神等方面具有很好的教育功能．但是，有些教師在開展科學探究的教學實踐活動中，經常感到探究資源缺乏，特別是學生感到親切熟悉的探究資源更少．筆者曾經選擇了學生生活中常見的覆杯實驗作為探究對象，在還沒有學過大氣壓強的八年級學生中組織了一次科學探究．

1 教學過程

1.1 創設情境

教師向學生演示.首先將一紙杯裝滿水，杯口向下，演示水從杯中流出；再將紙杯裝滿水，并用一硬紙片蓋住杯口.提問：現將杯口向下，大家猜想會有什么現象發生；并相互交流自己的看法．

爾后，演示實驗繼續．教師將學生分成六人一個探究小組，讓學生親自操作上述實驗，仔細體驗實驗的過程和結果，然后提出探究課題．筆者隨即也參與了其中一個小組的整個探究過程．

1.2 展開探究

教師：同學們都已經看到，裝滿水的紙杯，若用硬紙片蓋住杯口，杯口向下時，杯中的水和硬紙片竟然不會向下掉落.這就是著名的覆杯實驗．在這個實驗中，是什么力托住了水和硬紙片使它們不會往下掉落呢？

學生紛紛充滿自信地回答：是水、杯口、硬紙片之間的粘力．

教師：請你們設計實驗來驗證你們的想法．

學生開始實驗和討論．

學生A：水受到豎直向下的重力但不下落，說明水受到一個豎直向上的托力.硬紙片不下落，同樣說明硬紙片也受到一個豎直向上的作用力．因此，我覺得硬紙片和杯口接觸的地方應該有一個吸引力，這可能是因為水在硬紙片和杯口接觸的地方起到了類似膠水粘物體的作用．請大家看，杯中沒有裝水時，若把硬紙片放在水中浸濕，無論紙杯怎樣放置，硬紙片都會很容易地粘附在紙杯的邊緣、杯口、杯底而不掉落下來，如圖1所示.這說明被水浸濕的硬紙片和紙杯之間有吸引力．所以，筆者認為是浸濕的硬紙片和杯口之間的吸引力阻擋了硬紙片和杯中的水向下掉落．

圖1

大家紛紛重復體驗學生A的實驗，發現浸濕的硬紙片和杯口之間確實存在吸引力．但在擺弄實驗的過程中，也有不少學生對A的論斷產生了懷疑．

學生B：粘附在紙杯邊緣的硬紙片，只要輕輕一拉就會脫離紙杯，這說明浸濕的硬紙片和紙杯之間的吸引力比較小；我們可以明顯地感覺到這個吸引力小于杯中水的重力.所以，我認為阻擋硬紙片和水掉落的主要原因肯定不是水對硬紙片和杯口的吸引力．

那是什么力使水和硬紙片不掉落呢？探究活動一度陷入了難以繼續的地步．

教師：請大家再看看水和硬紙片的周圍環境，是不是還有另外什么力托起硬紙片和水呢？

學生C：杯中的水受到一個豎直向下的重力又不往下掉落，說明水一定受到一個豎直向上的托力．但水只與杯和硬紙片接觸，這個豎直向上的托力只可能是杯或硬紙片施加的．由于拿走硬紙片，水就從杯中流了出來，這說明水受到向上的力應該是硬紙片施加的．至于硬紙片為什么會給水施加一個豎直向上的托力，我還沒有想明白．

學生D：硬紙片又不是活雷鋒，它應該不會主動去幫助水做好事；它對水施加托力肯定是有原因的．

學生A：硬紙片在托起杯中水的同時，它自己也保持靜止．大家來看看硬紙片的受力情況，它受到杯中的水給它豎直向下的壓力和自身的重力，這兩個力的合力是豎直向下的，但硬紙片還是保持靜止.這說明硬紙片一定受到一個豎直向上的作用力，這個力既然不是杯口對硬紙片的吸引力，那一定是另外某個豎直向上的作用力，硬紙片再把這個力往上傳遞給杯中的水就會對水施加豎直向上的托力．

教師：硬紙片受到的這個豎直向上的作用力又是誰給的呢？

學生B：誰對硬紙片施加這個豎直向上作用力？我覺得還是應該從硬紙片周圍的物體中去找．硬紙片只與水、杯口、空氣接觸，由于水對硬紙片施加的壓力是豎直向下的，杯口和硬紙片之間又不可能產生這么大的作用力，那么，硬紙片受到的這個豎直向上的作用力就只可能是空氣施加的．

學生D：這樣好啦！如果假設空氣對硬紙片施加一個豎直向上的作用力，它就可以平衡水對硬紙片的壓力和硬紙片的重力，從而使硬紙片保持靜止．此外，這個作用力被硬紙片向上傳給杯中的水，從而對水產生豎直向上的托力，這個托力與水的重力平衡而使水不流出來．這應該是一個比較完美的解釋吧．

學生C：我同意B和D的意見．但是，空氣為什么會對硬紙片施加這么大的作用力呢？

學生B：空氣也有重力.我們周圍有這么多的空氣，它們自然都會向下擠壓從而對硬紙片產生向上的作用力．

學生A：如果空氣可以對硬紙片施加一個豎直向上的作用力，若把紙杯底部也和空氣連通，水和硬紙片在豎直方向上就同時受到兩個由空氣施加的等值反向的作用力，那么，應該看到硬紙片和水都向下掉落，因為硬紙片和水此時都只受到自身重力的作用．

同學們開始按照這個思路進行實驗.結果發現硬紙片和水真的下落了.這讓大家進一步確信空氣對硬紙片確實施加了一個豎直向上的作用力．同學們還發現底部與空氣連通的覆杯在沒有裝水時也可以吸住浸濕的硬紙片，但輕輕一拉，硬紙片就脫落了．

學生E(好奇地發問)：空氣對硬紙片施加的力既然能托起了杯中的水，這個力應該是很大的．我們能否設計一個實驗感受一下這個力的大小呢？

圖2

學生A立即提出：對于充滿水的覆杯實驗，可以在硬紙片下表面的中心固定一根細線，然后再在細線上加鉤碼去測量．但結果發現這種做法容易導致硬紙片變形甚至裂開，因而不便測量空氣對硬紙片的作用力．于是，同學們在討論的基礎上，設計了這樣一種估測空氣對硬紙片的作用力的裝置.如圖2所示，在杯口與硬紙片接觸處的對面，用膠帶對稱地固定多條等長的繩子，在繩子的另一端再用膠帶固定一硬紙片充當載物盤，在盤中不斷添加鉤碼直到把硬紙片拉離紙杯為止，然后計算相應鉤碼和硬紙片的總重力即可估計空氣對硬紙片施加作用力的大小．

各組學生紛紛小心地在載物盤上添加鉤碼，結果發現一個面積只有60 cm2的硬紙片居然能夠吊起4個50 g的鉤碼.再換用同等大小的玻璃杯代替紙杯做實驗，該硬紙片竟然能吊起10個50 g的鉤碼.還有同學又換用同樣大小的玻璃片代替硬紙片重復實驗，結果發現40個50 g的鉤碼也沒有把玻璃片拉離裝滿水的玻璃杯！同學們還在通過改進實驗裝置，使玻璃片吊起的鉤碼個數不斷增加．這個實驗結果讓學生感到十分興奮和驚奇.同學們在對體驗實驗成功的過程中也驚奇地看到了空氣對硬紙片(或玻璃片)施加了一個很大的壓力．

教師：同學們都發現空氣對紙片或玻璃片施加了一個很大的作用力，這個作用力對應的壓強叫做大氣壓強.經測量發現，大氣壓強的大小相當于在1 cm2的物體表面上有10.13 N的壓力！

學生F(看到大氣壓強如此之大時覺得十分奇怪)：我們人體與空氣接觸的面積應該有1.5 m2左右.這樣一來，空氣作用在我們每個人身上的壓力應該有1.52×105N，這相當于15 t的物體壓在我們每個人的身上！結果好嚇人！但事實上，我們并沒有感受到這么大的壓力．還有，我們周圍也沒有看到那個物體被大氣壓強壓碎呀．這是什么原因呢？

學生A：通過前面的實驗和討論，我們可以肯定人體表面應該受到大氣壓強的作用，且方向指向體內．一切物體(包括人體)既然都是適應自己周圍的生活環境，說明體內一定同時存在一個與大氣壓強等大反向的壓強．要不是這樣，我們大家還有周圍的物體，肯定早就被大氣壓強所壓壞了．

學生B：既然體內有一個與大氣壓強等大反向的壓強，如果我們跑到沒有空氣的太空去，體內這個1.52×105N的向外壓力，那我們每個人就會變成人肉炸彈啦！

學生C：還有，我們湖南學生要是跑到空氣稀薄的西藏等地去，開始應該不好受.那里空氣稀薄，大氣壓強肯定較小，但我們體內向外的壓強不變，那我們一定都會感到全身發脹.這大概就是“高原反應”吧！

學生F：不要害怕，人體有很大的調節能力；我們可以通過加強體育鍛煉會很快適應生活環境的．

學生D：那西藏的同學若到我們湖南來，開始一定會感到全身受壓，也是很不舒服的，因為他們體內的壓強小于我們這里的大氣壓強．這可以叫做“平原反應”嗎？

學生E：我還發現有不同的情況．如果覆杯中的水裝滿了，用針在覆杯底部扎幾個小孔，杯中的水和硬紙片并不下落呢．但是，如果覆杯中的水沒有裝滿，底部扎有的同種小孔的覆杯卻可以使杯中的水和硬紙片立即下落．不知這是為什么？

教師：E同學提出的問題也很有趣．但由于時間關系，大家以后再繼續探討．

教師：剛才同學們對覆杯實驗進行了深入地探討.大家主動積極、討論熱烈，這是值得鼓勵和表揚的．在這次探究的過程中，大家發現空氣會對浸在其中的物體表面產生一個很大的壓強，即大氣壓強；并知道我們身邊一切物體的體內同時擁有一個與大氣壓強等值反向的壓強來平衡自己受到的大氣壓強，從而保證萬物在空氣中自由存在．

2 教學反思

在科學探究資源還比較缺乏的現在，物理教師如果注重從學生熟悉的生活實例中去開發，既可以彌補教學資源的短缺，也可以讓學生感到物理就在自己的生活之中，體驗物理可以幫助和美化自己生活的美好情感，從而更好地激發學生的學習動機，并進一步培養學生的探索熱情和創新能力．在這次探究中，筆者以覆杯實驗作為探究對象，引導學生帶著問題展開探究.在探究的過程中，學生不僅獲得了科學知識、訓練實驗技能、體驗探究過程的酸甜苦辣，還通過相互合作與交流培養團隊協作精神和提高語言表達能力，從而促進“知識與技能，過程與方法，情感態度與價值觀”三維教學目標的和諧達成．

在這次探究中，筆者還發現一個十分有趣的現象：錯誤的猜想有可能被驗證為正確的觀點．例如，為了說明覆蓋杯口的硬紙片、水和杯口之間的吸引力阻擋了覆杯中的水和硬紙片不下落這一想法(這是一錯誤的猜想)，學生設計并展示了浸濕的硬紙片可以粘附在紙杯的不同位置，從而把他們本屬于錯誤的想法似乎合理地驗證是正確的觀點．對于上述問題，我們可以在不改變硬紙片、水與杯口接觸狀況(從而不改變它們之間的相互作用)的情況下，從覆杯底部開一孔，既可展示水和紙杯立即下落脫離覆杯的現象，同時可以引導學生體驗上述吸引力和水重力的相對大小，這樣，就可以很好地突出上述問題的本質．

參考文獻

1 Center for Science, Mathematics and Engineering Education, National Research Council. Inquiry and the National science education standards-A guide for teaching and learning.Washington DC: National Academy Press,1996.

2 廖伯琴主編.世紀之交中國基礎教育物理課程改革.北京：北京師范大學出版社，2010