關于大氣壓強的兩個存在實驗探究

俞嘉華

摘要：大氣壓強教學的重點和難點就是讓學生感受到大氣壓強的存在。在傳統教學中，教師經常用“瓶吞雞蛋”“覆杯實驗”兩個實驗進行演示，讓學生感受大氣壓是真實存在的。而在實際操作中，由于操作上的細節存在問題，容易出現實驗的成功率不高、實驗現象不明顯、后期處理不方便、實驗過程不安全等情況。文章探究了這兩個實驗的器材、原理、方法、現象，并提出了實驗改良方案，旨在讓學生充分感受到大氣壓強的存在。

關鍵詞：大氣壓強 ?瓶吞雞蛋 ?覆杯實驗

《物理課程標準（2011年版）》中對大氣壓強的教學要求是“學生知道大氣壓強及其與人類生活的關系”，所以蘇科版物理教材在編排上用了大量的圖片例子，讓學生感受大氣壓的存在，但是學生單純從圖片上很難感受這個“看不見”的物理概念，所以教師要選擇一些直觀、常見的物理實驗，幫助學生感受和認識大氣壓強，如“瓶吞雞蛋”“覆杯實驗”“馬德堡半球實驗”等。其中，“瓶吞雞蛋”實驗，“覆杯”實驗由于實驗材料操作簡單，現象明顯，深受教師和學生的喜愛。

但是，這兩個實驗如果操作細節上沒有處理好，很容易失敗，并且傳統的實驗方式已經不適合現在的時代背景。

一、“瓶吞雞蛋”實驗

在實際教學演示中，傳統的“瓶吞雞蛋”實驗是指用酒精棉花點燃后，放進玻璃瓶，然后等棉花燃燒一會兒，將剝去外殼的熟雞蛋放在瓶口，利用壓強差，把雞蛋“吸進”瓶子。在做這個實驗時，如果在細節沒有控制好，實驗很容易失敗。更重要的是，這樣做有一定的局限性，每完成一次實驗，就需要消耗一個熟雞蛋，不僅清理起來比較麻煩，還造成了浪費。不僅如此，酒精棉花燃燒會把玻璃瓶燒黃，留有難以清理的痕跡，影響美觀，而且將點燃的酒精棉花放進密閉的玻璃容器內，還存在一定的危險性。鑒于操作、材料、教學等方面的要求，教師需要改進“瓶吞雞蛋”實驗，既提高實驗的成功率，又得兼顧各方面的要求。

實驗改進的思路可以從加熱方式、承壓物品與承接容器三個方面考慮：

（一）改變加熱方式

傳統酒精棉花的加熱模式，可以改用熱水加熱。將100℃的熱水倒入玻璃瓶內，最好加熱玻璃瓶，然后把剝了蛋殼的熟雞蛋堵在瓶口，形成封閉式空間，玻璃瓶內部由于溫度下降，以及部分水蒸氣液化成水，導致玻璃瓶內壓強急速下降，遠小于外界的大氣壓，而在大壓強的作用下，把雞蛋“壓”進玻璃瓶。比起棉花加熱的實驗方式，改良后的實驗安全系數高，且玻璃瓶內部不會留有燃燒留下的、難以清洗的殘渣，方便清理。當然，這種方法也適合硬質塑料瓶。

（二）改變承壓物品

傳統的“瓶吞雞蛋”實驗另外一個需要改良的方向就是改變承壓物品。使用雞蛋的劣勢是難清理、不節儉，所以實驗可以使用氣球替代雞蛋。使用氣球的優勢包括以下幾點：第一，氣球的形狀是隨意的，適合瓶口的要求，不像雞蛋只能略大于瓶口，方便找取材料。第二，氣球具有較好的形變能力，容易在大氣壓的作用下被壓進瓶子。第三，氣球貼近學生的生活，是學生平時容易接觸的東西，可以充分聯系起物理教學與學生的生活。第四，氣球可以重復使用，非常符合當下的時代主題。

（三）改變承接容器

傳統的承接容器一般選擇是的廣口瓶，它的瓶口比較短，“瓶吞雞蛋”的“吞”“吐”持續的時間不長。而如果改用長頸的圓底燒瓶，它的瓶口長，現象持續時間較長，更能吸引學生的注意力，激發學生的求知欲。另外，由于長頸圓底燒瓶的下半部較大，實驗中氣體的壓強變化、氣體體積的改變更明顯，更有利于實驗的成功。不僅如此，由于瓶口較長，通過對圓底燒瓶的下半部一會兒淋熱水，一會兒淋冷水，可以連續讓“雞蛋”在長長的瓶口來回“吞”“吐”，這樣震撼的場面，更能讓學生參與實驗的“解密”環節，加深學生對大氣壓強的認識與理解。

二、“覆杯”實驗

“覆杯”實驗是初中物理教師喜歡做的實驗，因為這個實驗選擇的材料都是學生生活中常見的東西——杯子、紙片、水，貼近學生生活，且實驗過程簡單，實驗現象明顯，但也存在不少問題，如實驗成功率的問題。傳統的做法很容易導致實驗失敗，很多教師對瓶子內是否要留有空氣做了大量的研究和討論。此外，學生觀察了“覆杯”實驗后，會覺得紙片不掉下來是由于紙片被水粘住了，削弱了實驗的說服力。為了提高實驗的成功率，打消學生的質疑，教師必須改進“覆杯”實驗。

（一）提升“覆杯”實驗的成功率

經過查閱資料的可知，在“覆杯”實驗中，拖住水的主要因素是大氣壓，但杯子和蓋片中水的表面張力也不能忽略。因此，在選擇杯子與蓋片時，教師最好要選取與水浸潤性好的器材，從而提升杯子與蓋片之間的密封性。

因為玻璃杯口與紙片的密封性不是很好，容易出現易導致實驗失敗的縫隙，所以教師可以準備一個橡膠套（如圖1所示），避免玻璃杯口與紙片出現縫隙。

圖1

（二）打消“水粘住紙”的質疑

1.方案一

如圖2所示，教師可以在杯子里面放一顆顏色明顯的玻璃彈珠。當演示“覆杯”實驗的時候，教師可以輕輕搖動杯子，讓彈珠撞擊杯子并發出聲音，吸引學生注意力。為了實驗的嚴謹，教師可以在做“覆杯”實驗之前，給學生演示紙只是用水“粘住”杯子，無法拖住彈珠的現象作為對比。

圖2

2.方案二

如圖3所示，為了實驗需要，教師應在紙片上面比杯口外圍略大的圓周上等距離，于紙片四角的位置釘進四枚大頭針。在實驗時，教師可以用手推動紙片，讓紙片慢慢轉動，有大頭針這個參照物的存在，學生能清晰地看到紙片在杯口不斷旋轉。另外，由于釘有大頭針，紙片不會沿杯口橫向滑脫，保證空氣不進入杯內，使演示得以順利進行。

圖3

3.方案三

在紙片的正中穿進一根大頭針，并將尖端部分彎成鉤狀，以便懸掛一個20克重的砝碼，如圖4所示。演示方法可先照方案二那樣令紙片旋轉，再掛上砝碼。加掛砝碼時，拿杯子底部的手改握杯的中部，并騰出小指托住玻片，杯體盡可能垂直，另一只手將砝碼鉤上后，小指離開玻片，防止掛砝碼時對玻片產生沖擊力，導致玻片掉下來，這比方案二更容易使學生信服大氣壓強的存在。

圖4

4.方案四

如圖5所示，用一只玻璃漏斗代替玻璃杯。在漏斗的尖嘴上套一截短橡皮管，并用止水夾夾住，使其密封。演示時第一步仿照傳統的覆杯做實驗，可以看到漏斗內的水和下端的紙片不掉下來，第二步松開止水夾使漏斗上端與大氣相通，水和紙片即刻下落。實驗從反面證明了大氣壓強的作用，從而打消了學生“被水粘住”的質疑。

圖5

如圖6所示，在原來實驗裝置的基礎上，教師可以在杯子底部直接扎一個小孔，當水和蓋片都掉下來了，學生就能立刻認識到，水和蓋片掉不掉與這個小孔有密切聯系，便于教師講解大氣壓強。

圖6

教師可以選擇一個較高的水槽，裝一定量的水，為了實驗現象明顯，在水里滴上幾滴紅色或藍色墨水。如圖7所示，當實驗裝置準備好后，教師可以用手堵住杯子底部的小孔，在里面裝滿水，倒扣在水槽中，出現水杯中的水面不下落、水槽中的水面不上升現象。這時，教師可以順勢引導學生認識和理解大氣壓強。

圖7

三、挖掘其他實驗

（一）不用吹的氣球

如圖8所示，教師可以準備一個容量不大的玻璃杯，用電鉆在它的蓋子上鉆2個小孔，再選擇合適粗細的硬質吸管插在小孔里面，并用熱熔槍把小孔與硬質吸管間的空隙堵上，一根吸管的下發套上一個氣球，并用橡皮筋把它捆好。另一根吸管通過軟管，連接一個大注射器，通過抽取瓶內空氣，使得瓶內氣壓減小，出現“大氣壓”把氣球“吹”大了的現象，證實了大氣壓的存在。

圖8

（二）自動噴泉

如圖9所示，教師可以準備一個大號廣口瓶及配套的橡皮塞，利用電鉆鉆一個小孔，插入硬質塑料管，另外準備好一個水槽，里面裝水。為了現象更加明顯，教師可往水槽中滴幾滴紅墨水。在實驗時，教師將廣口瓶放在熱水里面加熱，利用氣體的熱脹冷縮，把瓶內的氣體通過塑料管排走，再立馬倒扣進水槽里面，隨著廣口瓶的冷卻，里面的氣體壓強變小，出現紅顏色的水隨著塑料管“噴”出的現象，十分震撼。

圖9

（三）比吹氣球

如圖10所示，教師準備兩套一樣的飲料瓶和氣球，將氣球塞進飲料瓶內，并反向套在瓶口，其中一個飲料瓶的底部打上一個小孔，結果瓶底有孔的氣球吹起來更大，教師順勢講解原因，讓學生感受到大氣壓的存在。

圖10

筆者選擇的實驗，涉及的實驗器材都是生活中常見的，實驗的模型是學生能想象理解的，但是呈現的現象是學生意料之外的。這節課的關鍵是讓學生感受到大氣壓，只要教師能讓學生切切實實地感受到大氣壓強的存在，這堂課就已經成功了一半。

參考文獻：

[1]熊國萍，羅濱志，王懷宇.創新物理實驗之大氣壓強[J].科技視界，2015（13）.

（作者單位：江蘇省昆山市新鎮中學）