中国传统科技文化与STEM教育——公道杯

　　STEM知识素养

　　一、人文知识

　　公道杯是我国宋代时期发明的一种特殊的酒杯。传说朱元璋曾使用此杯给大臣倒酒，本已快倒满的酒杯，再持续倒入一点点酒后，突然杯里的酒全部流干不见了。皇帝立即被它的神奇所吸引。此后，公道杯便成了专供皇宫贵族享用的一种陶瓷工艺品。虽然只是传说，但是公道杯的制作精妙是不可否认的。因为用这种杯子倒酒，每个人倒酒的上限都一样，十分公平，所以获得了“公道杯”这个美名。

　　绿地粉彩公道杯，是清光绪宫廷御用瓷器，为清宫旧藏，现收藏于故宫博物院。杯呈荷叶状，圆底，钉状三足。杯内心为一个袒胸露腹、笑容可掬的仙人，头梳双髻，面对黄彩圆柱坐着，圆柱内部有一瓷制的空心导管，一端连通杯内底部，一端通向杯外底部。在这样细小的空间烧制出这样复杂的结构，可见我国古代陶瓷工艺的高深。

　　二、科学知识

　　如图为公道杯结构图。图1为起初杯中水位低于弯管最高点时，管中水位随杯中水位一起上升。直到水位达到弯管最高点（如图2所示），此时可计算A、B两点水的压强。由于水的上下表面受到大气压强P0的作用，所以PA =P0 +ρ水gh1，方向向右。B点压强为PB =P0 -ρ水gh2，方向向左。由于PA > PB,所以水从A点流向B点。水位下降到图3所示情况时，A、B两点压强分别为PA =P0 -ρ水gh3，PB =P0 -ρ水gh4。仍然有PA >PB，杯中的水会继续流到杯外。此情况会一直保持，直到杯中水位低于杯中管口。这个现象也叫做“虹吸现象”。

　　STEM活动实践

　　一、创意实践

　　公道杯制作

　　材料：

　　两个矿泉水瓶、可弯曲的吸管一根、打孔器、剪刀

　　创意参考步骤：

　　1.将两个瓶盖取下，在正中心各钻一个直径比吸管略小的孔，然后将吸管同时穿过去。

　　2.将一个水瓶的瓶底剪开，将有弯头吸管的瓶盖拧在这个水瓶上，将另一个瓶盖与水瓶拧好。公道杯就做好了。

　　3.将水（用颜料染色后，效果更明显）从剪开的水瓶缓慢倒入，同时观察虹吸现象。

　　二、创意改良

　　实验中可能会出现液体无法流下的情况，请尝试分析原因，并给出解决办法。

　　三、创意挑战

　　在低压或者真空情况下，公道杯还能正常工作吗？请设计实验并探究。

　　（作者/李湘黔）

（一审：夏博 二审：余画 三审：文杰）