半杯水做覆杯实验

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1、半杯水做覆杯实验　　摘要：覆杯实验通是过硬纸片托住倒置的杯中水，来验证大气压的存在，它是中学物理教学中常见的演示实验之一。在做这个实验时，教师通常强调杯中要装满水，否则实验就会失败，而事实并非如此。本文将在动手操作、仔细观察的基础上，通过具体的推算来解释用半杯水做覆杯实验也能成功的道理。　　关键词：探究；半杯水；覆杯实验　　中图分类号：G633.7文献标识码：A文章编号：1003-6148（2016）11-0055-2　　关于用半杯水做覆杯实验，有两种看法，有人认为不能成功；有人认为能成功，但对成功的解释是不同的。下面笔者针对上

2、述情况进行分析：　　1认为半杯水做覆杯实验不能成功　　如图1所示，当水杯倒置后，杯内水面上方的气压没有变化，与外界的大气压相等，水、硬纸片在其重力作用下掉落。　　实验表明，半杯水做覆杯实验依然能够成功。通过仔细观察发现水杯倒置后，硬纸片发生了形变，所以，倒置前后杯内气压发生了变化，上述解释的前提是错误的。　　2半杯水做覆杯实验能成功3　　解释1：如图2所示，当水杯倒置后，硬纸片会在水的压力作用下向杯外突出，导致杯内的空气体积增大，根据玻?D马定律，杯内的气体压强会减小，小于外界的大气压强，因此实验能成功。　　这种解释看似合情合理

3、，但通过实验的仔细观察，发现水杯倒置后硬纸片不是向杯外凸出，而是相反，向杯内凸出。这种解释违背了实验事实，当然是不正确的。　　解释2：在做覆杯实验时仔细观察，我们可以观察到硬纸片向杯内凸出，同时硬纸片离开杯口有一个微小的距离，如图3所示。　　下面我们来进行推算：　　为了简化，设杯子为圆柱形，高度为H，杯内水深h，杯子内截面积为S。　　倒置前，杯内气体压强p1=p0，倒置后，杯内空气柱的体积变大，V2=V1+△V，气体的压强减小，p2=p1-△p。　　根据玻?D马定律p1V1=p2V2，可得：　　p0V1=p0V1+p0△V-△p

4、V1-△p△V，　　略去△p△V，则p0△V=△pV1（1）　　水杯倒置后，对纸片进行受力分析，向下的力有：纸片自重G，杯内水的压力ρghS，杯内气体产生的压力（p0-△p）S；向上的力有：浸润现象产生的水对纸片的拉力F，杯外气体产生的压力p0S。　　满足纸片恰好不下落的条件：　　由于浸润现象产生的水对纸片的拉力和纸片自重都很小（且这两个力方向相反，近似抵消），可以略去。所以，△p=ρgh（2）　　由（1）（2）可得，△V=。　　所以，倒置时水柱下降△h====。3　　（其中p取105Pa，g取10N/kg）　　当h=H-h时，

5、即h=时，h（H-h）有最大值，也即△h值最大。　　假设水杯的高度H=0.2m，当装入半杯水时，即h=0.1m，可算出（△h）=10-3m。倒置水杯时，只要满足纸片向下移动1mm，大气压即可托住杯内的水，同时这个微小的下移，也不至让外界的大气进入杯内，即半杯水做覆杯实验能够成功。　　如果杯内装入较多或较少的水，通过计算，△h更小，实验也更容易成功。　　编者注：本实验要十分注意操作技巧，才能成功。要选用轻巧而有弹性的硬纸片，覆杯倒立后压紧纸片的手要慢慢地放松，纸片微微向下移动（或减小凹形形变），杯内空气柱体积略为增大，压强减小，杯

6、内水和气柱的压强之和会小于大气压强。这是实验成功的关键。　　参考文献：　　[1]李继兰.对覆杯实验再探讨[J].物理教学探讨，2007，24（8）：53―54.　　（栏目编辑王柏庐）3