劉沁心

(南京師范大學(xué)附屬中學(xué)江寧分校 江蘇 南京 211102)

1 引言

中國(guó)古代勞動(dòng)人民對(duì)大氣壓的了解與利用歷史悠久，醫(yī)療方面有利用負(fù)壓的拔火罐，農(nóng)業(yè)方面有可以隔山取水用于灌溉的“渴烏”，甚至軍事方面也有可以滅火噴火的唧筒式器械.本文從大家熟悉的“覆杯實(shí)驗(yàn)”入手[1]，步步深入，逐步引出幾種與生活息息相關(guān)的古代器具，體現(xiàn)了課標(biāo)“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的思想.

2 探究流程

2.1 覆杯實(shí)驗(yàn)

2.1.1 滿(mǎn)水覆杯

演示實(shí)驗(yàn)1：水杯裝滿(mǎn)水，用橡膠杯蓋(如圖1)作蓋片扣在杯口，做覆杯實(shí)驗(yàn)，如圖2所示.

圖1 橡膠杯蓋

圖2 用底部帶孔的杯子做實(shí)驗(yàn)

問(wèn)題：為什么水與蓋片沒(méi)有掉落？

階段結(jié)論：大氣壓托住了蓋片和水.

新的質(zhì)疑：會(huì)不會(huì)是水“黏”住了蓋片？

演示實(shí)驗(yàn)2：蓋片和水都“聽(tīng)”老師的命令，教師偷偷松開(kāi)堵住杯子底部小孔的手指，水與蓋片瞬間落下.

階段結(jié)論：蓋片并不是靠水黏住的.

新的質(zhì)疑：老師是如何做到的？普通杯子可以實(shí)現(xiàn)該效果嗎？

學(xué)生實(shí)驗(yàn)1：做覆杯實(shí)驗(yàn)，嘗試像老師剛才一樣讓水與蓋片瞬間下落.學(xué)生或改變杯口方向或使勁抖杯子，蓋片都沒(méi)掉.

階段結(jié)論：普通杯子做不到使水與蓋片瞬間下落，揭示真相，這是因?yàn)槔蠋煹谋颖子锌?，而普通杯子杯底沒(méi)有孔.

新的質(zhì)疑：為什么手不捂住孔，大氣壓就無(wú)法托住蓋片和水了？

階段結(jié)論：蓋片上下大氣壓一致相抵消，水和蓋片受到重力作用就落下來(lái)了.

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生對(duì)于覆杯實(shí)驗(yàn)最大的疑問(wèn)，便是蓋片是否被水分子“吸”住，本實(shí)驗(yàn)巧用杯底的孔，使學(xué)生意識(shí)到要是沒(méi)有大氣壓的作用，僅靠水是“黏”不住蓋片的.

2.1.2 半杯水覆杯

新的質(zhì)疑：為什么有的學(xué)生剛才實(shí)驗(yàn)時(shí)沒(méi)有裝滿(mǎn)水，實(shí)驗(yàn)仍然成功了呢？

學(xué)生實(shí)驗(yàn)2：用半杯水做覆杯實(shí)驗(yàn)，如圖3所示.

圖3 半杯水做覆杯實(shí)驗(yàn)

階段結(jié)論：外界大氣壓大于杯內(nèi)氣體壓強(qiáng).

新的質(zhì)疑：杯內(nèi)氣壓為什么會(huì)變小呢？

階段結(jié)論：實(shí)驗(yàn)要成功，手必須輕壓蓋片使其向內(nèi)凹陷，擠出一部分空氣.倒置時(shí)當(dāng)手松開(kāi)，蓋片恢復(fù)形變或部分恢復(fù)形變，杯中氣體體積變大，氣壓變小，如圖4所示.

(a) (b)

圖4 半杯水做覆杯實(shí)驗(yàn)原理

2.1.3 空杯覆杯

新的質(zhì)疑：要是沒(méi)有水，這個(gè)實(shí)驗(yàn)還能成功嗎？

學(xué)生實(shí)驗(yàn)3：用空杯做覆杯實(shí)驗(yàn)，如圖5所示.

圖5 空杯做覆杯實(shí)驗(yàn)

階段結(jié)論：輕輕下壓蓋片排出部分空氣，蓋片恢復(fù)形變后，杯內(nèi)氣體體積變大，氣壓變小.

新的質(zhì)疑：要是用如圖6款式杯蓋，實(shí)驗(yàn)還能成功嗎？為什么？

圖6 帶缺口的橡膠杯蓋

階段結(jié)論：覆杯實(shí)驗(yàn)要成功，必須使杯內(nèi)氣體壓強(qiáng)或其與液體壓強(qiáng)之和小于外界大氣壓.

設(shè)計(jì)意圖：平時(shí)做覆杯實(shí)驗(yàn)，大部分教師止步于滿(mǎn)水或未滿(mǎn)水兩種情況，尤其是在說(shuō)明未滿(mǎn)水覆杯原因時(shí)，學(xué)生理解上仍存在困難.本實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性地引入了空杯覆杯，使學(xué)生輕松理解了杯內(nèi)氣壓由于體積增大而小于外界大氣壓.筆者試用了紙片、塑料片、玻璃片等材質(zhì)，最終挑選了橡膠杯蓋，它的彈性大，空杯覆杯更易成功.若做半杯水的覆杯實(shí)驗(yàn)，選用紙片或玻璃片做蓋片也是可以成功的，原因除了蓋片的形變?cè)斐善績(jī)?nèi)氣體體積變化外，有時(shí)蓋片和瓶口之間有一很小的被水充滿(mǎn)的縫隙，這一縫隙造成杯中水位下降，同樣會(huì)使杯中氣體體積變大，氣壓變小，如圖7所示.

圖7 用硬質(zhì)蓋片做覆杯實(shí)驗(yàn)

2.2 汲水器

2.2.1 吸管

新的質(zhì)疑：沒(méi)有蓋片遮擋，大氣能托住管中的水嗎？

學(xué)生實(shí)驗(yàn)4：用兩端開(kāi)口的塑料吸管把一只杯子中的水移一些到另一只空杯中，如圖8所示.

圖8 裝有水的杯和空杯及吸管

階段結(jié)論：將吸管插入水中，用手指封住管口，將吸管移出水面到空杯上方，松開(kāi)封住管口的手指，如圖9所示.

圖9 用吸管移水

新的質(zhì)疑：為什么堵住管口，大氣壓就能托住管中的水？

學(xué)生實(shí)驗(yàn)5：在吸管中間適當(dāng)位置標(biāo)上記號(hào)，將吸管放入水中直到記號(hào)處與水面平齊，手指堵住管口，提起吸管，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)水面低于記號(hào)處，如圖10所示.

階段結(jié)論：上提吸管時(shí)，管中水由于重力流出一部分，導(dǎo)致管內(nèi)氣體體積增大，氣壓變小，外界大氣壓就能托住水.

圖10 吸管內(nèi)水面低于記號(hào)處

介紹：這個(gè)現(xiàn)象最早在南北朝成書(shū)的《關(guān)尹子·九藥篇》中有記述[2]，它寫(xiě)道：“瓶存二竅，以水實(shí)之，倒瀉；閉一則水不下.”中國(guó)唐代王冰在《黃帝內(nèi)經(jīng) ·素問(wèn)》卷二十注中也寫(xiě)道：“虛管溉滿(mǎn)，捻上懸之，水固不泄.”

設(shè)計(jì)意圖：此實(shí)驗(yàn)就是2015年南京市物理中考題.該題得分率不高，可見(jiàn)不少學(xué)生并不理解其中原理，也有不少教師沒(méi)有做過(guò)相關(guān)演示實(shí)驗(yàn).驗(yàn)證大氣壓強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)種類(lèi)繁多，五花八門(mén)，教師在有限的課堂時(shí)間里是沒(méi)有辦法把所有實(shí)驗(yàn)都演示一遍的，這就要求教師必須精選實(shí)驗(yàn)并教會(huì)學(xué)生舉一反三.本實(shí)驗(yàn)中通過(guò)半杯水覆杯與空杯覆杯奠定基礎(chǔ)，再加上記號(hào)的對(duì)比，學(xué)生很容易理解管內(nèi)氣體體積增大，氣壓減小.

2.2.2 戰(zhàn)國(guó)青銅酒器

問(wèn)題：中國(guó)古人不僅發(fā)現(xiàn)了大氣壓的這種現(xiàn)象，并且將之運(yùn)用于實(shí)際生活中.如圖11是我國(guó)戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的青銅汲酒器，圖12為它的示意圖.長(zhǎng)柄上端與球形底部各開(kāi)一小孔a,b，你知道它應(yīng)該如何使用嗎？

圖11 戰(zhàn)國(guó)青銅汲酒器

圖12 汲酒器示意圖

階段結(jié)論：讓a小孔開(kāi)放，將汲酒器下方浸沒(méi)到酒缸中，讓球形容器內(nèi)充滿(mǎn)酒水，再堵住開(kāi)口a向上提升長(zhǎng)柄即可取酒，如圖13所示.

圖13 汲酒器使用方法

2.2.3 硯滴

介紹：宋代俞琰在《席上腐談》中還說(shuō)：“即如銅水滴，捻其竅則水不滴，放之則滴.” 所謂“銅水滴”，也就是一根小銅管，被用作滴水到墨硯上的小工具.這類(lèi)器具又稱(chēng)為“硯滴”，多為陶瓷質(zhì)地，可以自由控制滴下的水量以研磨.硯滴一般有兩種形態(tài)，一種為滴管式，使用方法類(lèi)似我們剛才用吸管汲水.如圖14所示.手移開(kāi)小孔，水就滴下，堵住小孔，滴水不漏.

圖14 滴管式硯滴

問(wèn)題：另一種硯滴就像一個(gè)沒(méi)有蓋子的小茶壺，頂部只有一個(gè)小孔，如圖15所示.大家桌上就有一個(gè)這種形制的硯滴，你能自己琢磨一下它的使用方法嗎？

圖15 壺式硯滴

學(xué)生實(shí)驗(yàn)6：嘗試使用壺式硯滴.

階段結(jié)論：裝滿(mǎn)水后，將硯滴傾斜，若孔打開(kāi)則水滴下，若手捂住孔則水不滴了，如圖16所示.

新的質(zhì)疑：這個(gè)硯滴讓你想到了生活中的哪些用品？它們都有什么共同的特征？并解釋其道理.

圖16 壺式硯滴使用方法

階段結(jié)論：茶壺、油壺、嬰兒奶嘴、輸液瓶等等，它們都有小孔，與外界大氣相通，維持壺內(nèi)外氣壓相等，以便壺內(nèi)液體順利流出.一旦孔被捂住，液體倒出一點(diǎn)就倒不出來(lái)了，如圖17所示.

圖17 與硯滴原理類(lèi)似的生活用具

2.2.4 兩心壺

介紹：大家看過(guò)電視劇《甄嬛傳》嗎？在最后甄嬛與果郡王見(jiàn)面共敘舊情的那一幕，甄嬛拿起桌上的一壺酒給自己倒了一杯，給果郡王倒了一杯.細(xì)心的觀眾會(huì)發(fā)現(xiàn)，甄嬛給自己倒酒時(shí)按住了壺蓋頂部紅色的珠子，給果郡王倒酒時(shí)按住了壺蓋頂部綠色的珠子，如圖18所示.果郡王卻明白其中的奧秘，把酒換掉將自己毒死.

圖18 《甄嬛傳》中的兩心壺

問(wèn)題：這個(gè)既能倒出毒酒又能倒出無(wú)毒酒的酒壺難道只是電視劇的虛構(gòu)嗎？其實(shí)這個(gè)壺在我國(guó)古代是真實(shí)存在，俗稱(chēng)“兩心壺”，這種壺最早是古人為方便服藥而命人精心制成，一邊裝藥，一邊裝酒做藥引.根據(jù)我們今天學(xué)習(xí)的知識(shí)，你能說(shuō)出它是什么原理嗎？

階段結(jié)論：這個(gè)壺內(nèi)部應(yīng)該分為兩部分，壺嘴應(yīng)該也有兩個(gè)分離的通道.紅綠兩色珠子應(yīng)該就是壺內(nèi)兩部分各自的通氣孔.

新的質(zhì)疑：我們簡(jiǎn)稱(chēng)紅珠氣孔對(duì)應(yīng)的壺腔為紅壺，綠珠氣孔對(duì)應(yīng)的壺腔為綠壺.捂住紅珠孔，倒出的是毒酒，這個(gè)毒酒應(yīng)該是裝在紅壺還是綠壺？為什么？

階段結(jié)論：毒酒裝綠壺，因?yàn)榧t珠孔被堵住，隨著壺內(nèi)酒流向壺嘴，紅壺內(nèi)氣體體積增大，氣壓減小，外界大氣壓就抵住紅壺內(nèi)的酒，是倒不出來(lái)的.

介紹：大家觀察一下市面上一種兩心壺的構(gòu)造，如圖19所示.

圖19 兩心壺內(nèi)部構(gòu)造

學(xué)生實(shí)驗(yàn)7：利用塑料瓶、吸管、鉆孔錐子、熱熔膠槍等，自制一個(gè)簡(jiǎn)易兩心壺.如圖20所示.

圖20 自制兩心壺

3 總結(jié)

本案例連續(xù)介紹3種古代器具：青銅酒器、硯滴與兩心壺.教師并沒(méi)有一味地講述，反而讓學(xué)生根據(jù)它們的器型，自主思考它們的使用方法.雖然大部分學(xué)生以前并沒(méi)有看過(guò)它們，但是經(jīng)過(guò)前面覆杯實(shí)驗(yàn)、吸管汲水實(shí)驗(yàn)的層層鋪墊，學(xué)生對(duì)于這種容器內(nèi)部氣體體積增大導(dǎo)致氣壓小于外界大氣壓的原理已經(jīng)掌握得非常熟練了，因此,無(wú)論是使用方法還是親自制作簡(jiǎn)易模型對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)都難度不大.整個(gè)探究過(guò)程極大地豐富了學(xué)生的視野，大大增強(qiáng)了學(xué)生的民族自豪感.

通過(guò)以上“覆杯實(shí)驗(yàn)”以及“青銅酒器”“硯滴”和“兩心壺”3種古代器具的原理和使用方法介紹，使學(xué)生在了解我國(guó)古代大氣壓應(yīng)用歷史的同時(shí)，受到更多的激勵(lì)和啟示，在學(xué)習(xí)和工作中，探究和開(kāi)發(fā)更多更好的大氣壓應(yīng)用案例.