探究“覆杯實(shí)驗(yàn)”成敗的原因

河北省高邑縣音體美中學(xué) 田利波 宋立端

探究“覆杯實(shí)驗(yàn)”成敗的原因

河北省高邑縣音體美中學(xué) 田利波 宋立端

在講“大氣壓強(qiáng)”一節(jié)時(shí)，課堂上我用“馬德堡半球?qū)嶒?yàn)”演示了大氣壓強(qiáng)的存在，同時(shí)也給學(xué)生留下了一個(gè)課外活動(dòng)作業(yè)：仿照課本上用試管灌滿水蓋上紙片后，倒過(guò)來(lái)水不會(huì)流下來(lái)的實(shí)驗(yàn)，回家找其他器材做類似的“覆杯實(shí)驗(yàn)”，再次驗(yàn)證大氣壓強(qiáng)的存在。令我始料不及的是，第二天上課時(shí)很多學(xué)生說(shuō)實(shí)驗(yàn)失敗，有的說(shuō)偶爾能成功，只有個(gè)別學(xué)生說(shuō)能成功，這是怎么回事呢？

提出問(wèn)題：既然大氣壓強(qiáng)確實(shí)存在，為什么會(huì)有這么多學(xué)生實(shí)驗(yàn)失敗呢？

做出猜想：結(jié)合學(xué)生所述情況，我分析影響實(shí)驗(yàn)成敗的因素可能有以下幾個(gè)：①“瓶口”大小；②“瓶子”材質(zhì)；③“紙片”材質(zhì)；④“紙片”大小。

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：1.找來(lái)不同類型的“瓶子”，有試管、水杯、一次性紙杯、礦泉水瓶、集氣瓶。

2.找來(lái)不同類型和大小的“紙片”，有書(shū)紙、A4打印紙、塑料片、玻璃片。

3.運(yùn)用控制變量法將這些“瓶子”和“紙片”分別組合做“覆杯實(shí)驗(yàn)”，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析成敗原因。（部分實(shí)驗(yàn)情景如下圖）

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：（見(jiàn)下表）

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：從表中可以看出，較大的“紙片”成功率低。

結(jié)論分析：通過(guò)測(cè)量“瓶口”直徑，根據(jù)公式F＝PS計(jì)算得出，“瓶口”最小的試管口所受到的大氣壓力約為20牛，遠(yuǎn)大于“紙片”的重力，可見(jiàn)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗的原因并不是“紙片”的重力較大。實(shí)驗(yàn)失敗的原因有以下幾點(diǎn)：

玻璃片較大較小塑料片較大較小紙片較大較小類型大小實(shí)驗(yàn)序號(hào)試管集氣瓶水杯紙杯礦泉水瓶1 ×√√× × 2 ×√√× × 3 × ×√× × 1 ×√√× × 2 ×√√× × 3 ×√√× × 1 × ×√× × 2 ×√× × × 3 × ×√× × 1 ×√√× × 2 ×√√× × 3 ×√√× × 1 ×√√× × 2 ×√√× × 3 × ×√× × 1 ×√√× × 2 ×√√√× 3√√√√√注：“√”表示成功，“×”表示失敗

1.試管成功率較低，經(jīng)檢查試管口雖光滑但不平整，在使用較硬的“紙片”覆蓋管口時(shí)，容易使管口邊緣有空氣進(jìn)入而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

2.雖然紙片重力不是導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗的原因，但是對(duì)于較大的紙片，由于重力使沒(méi)有與“瓶口”結(jié)合的部分下垂變形漏氣，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

3.大的塑料片和玻璃片重心較難找，在“紙片”稍稍發(fā)生傾斜時(shí)使氣泡進(jìn)入導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

4.礦泉水瓶和紙杯由于材質(zhì)較軟，在倒過(guò)“瓶口”將其上提時(shí)，手不可避免地會(huì)對(duì)杯體產(chǎn)生壓力使杯體變形，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

實(shí)驗(yàn)總結(jié)：“覆杯實(shí)驗(yàn)”要想成功：①要找“瓶口”較大的“瓶子”，“瓶口”面積大，大氣壓產(chǎn)生的壓力也大；②要用材質(zhì)較硬且不易變形的“瓶子”；③“紙片”要比“瓶口”稍大以使重心穩(wěn)定；④要用韌性較好的柔軟的紙，用水浸濕后與“瓶口”貼合較好,成功率較高。