巧測大氣壓強(qiáng)

張雯婷

【摘 要】根據(jù)課本我們知道，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的值是101.325KPa。本文介紹如何使用一個(gè)塑料吸盤掛鉤，一個(gè)5N的彈簧測力計(jì)，通過數(shù)學(xué)方法和物理公式來測量當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)的近似值。分析該方法的可行性，并與其他測量大氣壓強(qiáng)值的方法相比，討論該方法的優(yōu)點(diǎn)及不足。

【關(guān)鍵詞】大氣壓強(qiáng)；彈簧秤；杠桿原理

0 引言

隨著人們對(duì)大氣壓強(qiáng)研究的不斷深入，大氣壓強(qiáng)的相關(guān)問題在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，如大氣壓強(qiáng)傳感器在海拔高度測量中的應(yīng)用等。我們根據(jù)所學(xué)知曉大氣對(duì)浸在它里面的物體產(chǎn)生的壓強(qiáng)叫大氣壓強(qiáng)，簡稱大氣壓或氣壓。1654年格里克在德國馬德堡作了著名的馬德堡半球?qū)嶒?yàn)，有力的證明了大氣壓強(qiáng)的存在，這讓人們對(duì)大氣壓有了深刻的認(rèn)識(shí)，但大氣壓到底有多大人們還不清楚。1643年意大利科學(xué)家托里拆利在一根1米長的細(xì)玻璃管中注滿水銀倒置在盛有水銀的水槽中，發(fā)現(xiàn)玻璃管中的水銀大約下降到76厘米高度后就不再下降了。這76厘米刻度之上的空間無空氣進(jìn)入，是真空。托里拆利據(jù)此推斷大氣的壓強(qiáng)就等于水銀柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)，這就是著名的托里拆利實(shí)驗(yàn)。 [1]今天，我們可以通過一些簡單的實(shí)驗(yàn)器材、杠桿原理和壓強(qiáng)公式來測量當(dāng)?shù)氐拇髿鈮簭?qiáng)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置由一個(gè)塑料吸盤掛鉤、一根直桿、一個(gè)著力點(diǎn)、兩條帶鉤的繩子、一塊玻璃和一個(gè)5N的彈簧測力計(jì)等構(gòu)成。一根繩子一端勾住塑料吸盤，一端固定在直桿的一端記為A，另一根繩子一端勾住彈簧測力計(jì)，一端固定在直桿的另一端記為B，著力點(diǎn)記為O。將塑料吸盤內(nèi)的空氣排盡（可適當(dāng)蘸水），固定在玻璃上。如圖1所示。

2 實(shí)驗(yàn)原理

計(jì)算好連接塑料掛鉤端到著力點(diǎn)OA段的距離L1和連接彈簧測力計(jì)端到著力點(diǎn)OB段的長度L2，使B處受到的力在彈簧測力計(jì)的測量范圍內(nèi)。接著，將蘸水的塑料掛鉤的吸盤放在光滑水平板上，擠出里面的空氣，按圖1所示，用彈簧測力計(jì)鉤著掛鉤緩慢往下拉，直到吸盤脫離板面，測出此時(shí)彈簧測力計(jì)的讀數(shù)為F2，根據(jù)杠桿原理的公式可以得到吸盤處受到的力F：

因?yàn)楫?dāng)吸盤恰好脫離桌面時(shí)，對(duì)吸盤的拉力與大氣對(duì)吸盤的壓力正好是一對(duì)平衡力，所以此時(shí)算出的F就是大氣對(duì)吸盤的壓力。同時(shí)，通過資料對(duì)當(dāng)?shù)卮髿鈮哼M(jìn)行估測，利用杠桿原理，構(gòu)造省力杠桿，使得測量值在彈簧測力計(jì)的測量范圍內(nèi)，所以該方法可行。

2.1 杠桿原理

古希臘科學(xué)家阿基米德有這樣一句流傳很久的名言：“給我一個(gè)支點(diǎn)，我就能撬起整個(gè)地球！”這句話便是說杠桿原理。阿基米德在《論平面圖形的平衡》一書中最早提出了杠桿原理。他首先把杠桿實(shí)際應(yīng)用中的一些經(jīng)驗(yàn)知識(shí)當(dāng)作“不證自明的公理”，然后從這些公理出發(fā)，運(yùn)用幾何學(xué)通過嚴(yán)密的邏輯論證，得出了杠桿原理，即“二重物平衡時(shí)，它們離支點(diǎn)的距離與重量成反比?！?/p>

3 實(shí)驗(yàn)步驟與結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)步驟

1）利用游標(biāo)卡尺重復(fù)多次實(shí)驗(yàn)，讀出塑料吸盤掛鉤的直徑D；

2）緩慢拉動(dòng)彈簧測力計(jì)，讀出當(dāng)吸盤脫離玻璃時(shí)的拉力讀數(shù)記為F；

3）利用數(shù)據(jù)分析得到當(dāng)?shù)氐拇髿鈮簭?qiáng)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)如表1所示，其中塑料吸盤的面積S=（7.065±0.006）×10-4m，端點(diǎn)到著力點(diǎn)的長度OA=3cm，OB=70cm，環(huán)境溫度t=25℃。

查找資料發(fā)現(xiàn)，據(jù)杭州市氣象臺(tái)觀測站1961～1980年記錄，杭州市區(qū)的多年平均氣壓為1011.6百帕，二者基本符合。

4 優(yōu)缺點(diǎn)分析

4.1 優(yōu)點(diǎn)

1）和水銀測大氣壓相比，用這種方法測量大氣壓強(qiáng)安全無污染，沒有危險(xiǎn)，可以在課堂上演示實(shí)驗(yàn)。水銀是在常溫、常壓下唯一以液態(tài)存在的金屬。熔點(diǎn)-38.87℃，沸點(diǎn)356.6℃，密度13.59克/立方厘米。內(nèi)聚力很強(qiáng)，在空氣中穩(wěn)定，常溫下蒸發(fā)出汞蒸氣，蒸氣有劇毒。微量的液體汞吞食一般是無毒的（有資料稱它在生物體內(nèi)會(huì)形成有機(jī)化合物），但汞蒸氣和汞鹽（除了一些溶解度極小的如硫化汞）都是劇毒的，口服、吸入或接觸后可以導(dǎo)致腦和肝損傷。汞可以在生物體內(nèi)積累，很容易被皮膚以及呼吸道和消化道吸收。水俁病是汞中毒的一種。汞破壞中樞神經(jīng)系統(tǒng)，對(duì)口、粘膜和牙齒有不良影響。長時(shí)間暴露在高汞環(huán)境中可以導(dǎo)致腦損傷和死亡。盡管汞沸點(diǎn)很高，但在室內(nèi)溫度下飽和的汞蒸氣已經(jīng)達(dá)到了中毒劑量的數(shù)倍。 [2]

2）與壓力表相比，該方法使用的道具在生活中容易找到，成本較低。

3）該實(shí)驗(yàn)使用到杠桿原理，靈活運(yùn)用了原有的知識(shí)。

4.2 缺點(diǎn)

1）誤差較大。因?yàn)闇y量吸盤的直徑存在誤差，OA和OB段長度的測量存在誤差，彈簧測力計(jì)的測量存在誤差，所以該方法測得的大氣壓強(qiáng)不夠準(zhǔn)確，只是一個(gè)近似值。

5 結(jié)語

在大氣壓強(qiáng)的測量中，有許多因素將會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響，例如溫度、海拔高度等。本實(shí)驗(yàn)只能得到當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)的近似值，但實(shí)驗(yàn)工具易得，實(shí)驗(yàn)方法簡單，能夠在課堂演示，可以激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)的興趣。通過本次物理實(shí)驗(yàn)，加深了我對(duì)大氣壓強(qiáng)、杠桿原理以及讀數(shù)的認(rèn)識(shí)，為今后進(jìn)一步學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)操作、科學(xué)原理打下了良好的基礎(chǔ)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]百度百科.大氣壓.http：//baike.baidu.com/view/84982.htm？fr=wordsearch[OL].

[2]百度百科.汞.http：//baike.baidu.com/view/26371.htm？fromId=30596&fr=wordsearch#5[OL].

[責(zé)任編輯：楊玉潔]