对“会走路的杯子”实验的设计、实施的思考

摘 要：“会走路的杯子”属于物理学科和化学学科中的一项实验，其用简答的实验过程验证了复杂的理论原理，有助于高中生发现理科的内在魅力，提高对理科的客观认识。本文基于“会走路的杯子”这一实验，围绕物理与化学两门学科在实践中的应用进行了设计与思考。

关键词：物理；化学；实验；理论；实践

化学和物理两门课程是现代科技的核心，自十七世纪乃至近现代以来，世界上出现了众多著名的科学家，如牛顿、爱因斯坦、霍金、居里夫人、卢瑟福等等，他们都是通过化学和物理研究，取得了大量的科技成果。这些成果不仅推动了世界科学技术的发展，更对人类文明的进步产生了重要的影响，并为现代科技文明研究奠定了扎实的基础。近代中国饱经战争的蹂躏，使得科学技术研究停滞不前，导致了近现代中国文学领域超前而科学技术落后，并直接造成了新中国建立以来科学技术远远落后于西方发达国家的局面。当前的中国亟需更多属于自己的发明创造，而要实现这一目的，一方面需要我国科学家的进一步努力，另一方面也需要作为学生的我们从小的方面做起，培养自己的发明意识和创造能力。那么，应当怎样提高自己的发明创造能力呢？我认为，高中生应当充分利用自己学到的化学和物理知识，并以其它课程知识作辅助，先从设计小的实验开始，通过自主实验来验证知识，并借此积累经验，巩固学到的知识。当具备了一定的实验经验后，一方面不断提高实验的难度，另一方面逐渐的将实验转化为发明创造，并用新的实验来检验发明创造的可行性，最后再付诸行动，准备材料着手开始发明。针对这种想法和构思，下面我以“会走路的杯子”这一实验为例，谈一谈自己从设计实验再到通过实验发明创造的经验。

一、“会走路的杯子”实验的设计

“会走路的杯子”是一个很简单的小实验，然而，虽然实验的步骤简单，如果操作不当，也会导致实验失败。首先是准备实验材料。我在找来了一块长40厘米、宽20厘米的玻璃，准备了21本厚度约1厘米的书、一根粗蜡烛、一个玻璃杯和一碗水。其次是实验准备。我将22本书分成两摞，一摞10本，一摞12本，两摞书之间的距离约30厘米，高度约10厘米。随即将玻璃放在书上，测量发现玻璃的倾斜角度约160°左右。最后是实验的过程，共分为三个阶段。在第一个阶段，我先将玻璃杯放在玻璃上，观察杯子的状态，发现杯子在玻璃倾斜度为160°钝角的状态下根本不可能向下方滑落。这是实验得出的第一个结论。在第二个阶段，我将杯子取下来，在玻璃表面上倒入一些水，再将杯子放在玻璃上，观察杯子的状态。虽然水在杯子和玻璃之间起到了一定的滑润作用，但水却将杯子边缘与玻璃的接触部分密封起来，此时不仅杯子不会向玻璃下方滑落，就连将它从玻璃上取下来都很困难，需要一只手按住玻璃，另一只手稍微用力，才能从玻璃上拿下杯子，这是实验得出的第二个结论。在第三个阶段，我再次将杯子放在有水的玻璃表面，随即点燃蜡烛，将烛火置于玻璃上杯子口的正下方，约5分钟后，奇迹出现了，刚才连从玻璃上取下来都很困难的水杯，此时竟然摆脱了水对杯口的密封，缓缓的向玻璃下方移动，这是实验得出的第三个结论。

二、“会走路的杯子”实验的分析

针对上述通过实验得出的三个结论，我对它们进行了分析和思考。

首先，对于第一个实验结论，显而易见，它属于物理学中摩擦力与重力的描述范围。当两个物体之间的摩擦力大于它们的重力，如将A置于B之上，AB之间的摩擦力大于A的重力，那么无论B怎样倾斜甚至翻转，A都会紧紧依附在B的表面，也可以说是B依附在A的表面。这就说明了在刚才的实验中，为什么水杯在玻璃呈160°倾斜的条件下不会滑落，因为玻璃承载了水杯的重量，它的倾斜角度达不到万有引力导致水杯滑落的要求，而用物理语言来描述，即是玻璃与水杯的摩擦力大于万有引力对水杯的控制。

其次，对于第二个实验结论，它的原理既可以用物理語言来描述，又可以用化学语言来描述。在物理学中，当物体A以真空状态依附于物体B的表面，并且接触的部位密封，则物体A与物体B融为一体，其中，真空部分就如同一块岩石中的空洞，虽然占据了一定的空间，但不影响岩石的整体性，因为岩石的其它部分还是相连的。然而，在刚才的实验中，当杯子依附于玻璃表面，杯子的内部并不是真空状态，它与玻璃的连接仅靠水对杯口的密封，那么，为什么从玻璃上取下杯子需要更大的力气？事实上，这就如同岩石，岩石中的空洞也不是真空的，但岩石的其它部分相连，而水作为杯子与玻璃相连的媒介，一方面加大了两者之间的摩擦力，另一方面也对两者起到了相互的作用，而这种相互作用即是物理学中范德华力，在化学领域，也可将这种现象称为分子间作用力。

最后，对于第三个实验结论，这涉及到了物理学中的气压问题。水将杯口密封加大了杯子与玻璃的粘合性，在这样的状态下，如果想让杯子向着玻璃下方移动，只能采取两种措施。其一是通过外力作用移动杯子，如用手握住杯子向玻璃下方推移；其二是通过内力作用，显而易见，能让杯子移动的内力作用唯有杯子内部的空气，那么，如何才能让空气推动杯子移动呢？这就需要利用物理学中的气压原理。众所周知，在固定空间内，气体会随着热量增加而逐渐膨胀，这即是物理中的热力学原理。而当用烛火烘烤扣压在玻璃上的杯口，杯子里的气体膨胀，则会产生压强，继而，压强会降低杯子与玻璃之间的密封度，换言之，即降低了两者之间的摩擦力。通过第一个实验结论已经说明，在玻璃倾斜160°的条件下，两者的摩擦力大于杯子的重力，杯子则不会移动；而当杯子与玻璃之间有了水这一媒介，杯子内的气体在烛火的作用下不断膨胀，降低了摩擦力，加上水的滑润作用，此时杯子和玻璃的摩擦力小于不加水状态下杯子与玻璃的摩擦力，如此，则杯子又受到了万有引力的控制，从而使杯子在玻璃表面滑动。

如此，虽然是一个非常简单的实验，但其中却蕴含了很多的物理和化学知识原理。然而，如何才能通过这一实验来实现发明创造呢？我们可以想象，如果将杯子换成一架列车，将玻璃换成新型耐热材料，将烛火换成更为强大的热源，如太阳能，则我们可以利用我国地势上西高东低的地形，架设由我国西部至东部的单向无动力列车。而要实现这一目标，还需要我们加大实验的难度，通过反复的实验和论证，来提高我们的创造能力。

参考文献：

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