侯天助

【中圖分類號】G632 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】2095-3089（2018）34-0135-02

我們知道空氣在人們生活中是不可缺少的物質(zhì)，大氣壓強(qiáng)也確實(shí)存在，但生活中往往不容易感覺到，所以歷史上有很長一段時間人們根本不知道它的存在。直到17世紀(jì)的40年代，人們才對大氣壓有所研究，但還是有許多人不相信。當(dāng)然今天不會有人再有這樣的問題，不過對于一個普通人來說，大氣壓是怎么產(chǎn)生的、大氣壓怎么測量，這些問題，能夠理解并能說得清楚還是會有些難度的，對于初中的同學(xué)來說剛剛接觸物理，就更不用說了。所以在中學(xué)教學(xué)過程中，教授這一部分內(nèi)容時，不能只是應(yīng)付考試，讓學(xué)生死記硬背，要讓學(xué)生真正地理解掌握，真正提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，應(yīng)該盡可能的形象、直觀來幫助學(xué)生轉(zhuǎn)難為易，理解原理的實(shí)質(zhì)。為此讓我們從學(xué)生的生活經(jīng)歷出發(fā)，來分析一下大氣壓的產(chǎn)生與測量。

當(dāng)我們?nèi)メ烎~，如果河邊是河水剛剛退去的河灘，我們鞋底的面積較小，如果直接走在淤泥上就陷進(jìn)去，這時我們?nèi)绻谟倌嗌戏乓粔K木板，由于增大的受力面積，減小了對淤泥的壓強(qiáng)，就不會再陷進(jìn)去。不過如果木板上有個小孔，當(dāng)我們站在木板上的時候，顯然淤泥就會從小孔冒出來。同理樣道理，我們設(shè)計(jì)一個實(shí)驗(yàn)，如圖1圓柱形容器，內(nèi)盛有液體，用重為G，截面積為S的活塞密封（假設(shè)不計(jì)摩擦），液體表面受到活的壓強(qiáng)為：p=F/S，其中F是活塞的重。我們?nèi)绻诨钊香@一小孔，裝上玻璃管，如圖2，液體就會就會和淤泥一樣從小孔中冒出來，由于我們安裝了玻璃管，液體會沿玻璃管爬升，但爬到某一高度就會穩(wěn)定下來。若我們增減活塞的重量，穩(wěn)定后的液體柱高度也會隨之增減。

用pA表示圖中液面A點(diǎn)受到的壓強(qiáng)。在玻璃管內(nèi)還沒有形成液體柱的瞬間，pA=0，此時液體面A點(diǎn)和液體面其它各點(diǎn)的壓強(qiáng)差最大，等于p，所以液體就會迅速流入管內(nèi)，形成液柱后，pA不再等于零，為：

pA=ρgh

這時壓強(qiáng)差變?yōu)椋?/p>

△p=p-ρgh

由上式可知，隨著液柱高度的增加，△p變小，液體流向管內(nèi)的速度變慢，液柱穩(wěn)定后的高度為h0，△p=0，我們有：

p-ρgh0=0

p=ρgh0

顯見，只要測出液柱的高度以及液體的密度后就可算出液面受到活塞的壓強(qiáng)。

地球周圍包著一層厚厚的大氣，由于地球的引力作用，使得地球這層厚厚的大氣才得以保存，我們?nèi)祟惒拍苌?，所以大氣和地球上一切物體一樣要受到“重力”作用的，有一定的重量。我們現(xiàn)在設(shè)想在地球表面放一盛有水的器皿，“大氣柱子”就像前面所說的活塞一樣壓在水面上，為了測得這個“大氣柱子”活塞壓在水面上的壓強(qiáng)，設(shè)想有根比“大氣柱子”還長的兩頭開口的玻璃管插在中間，此時管內(nèi)沒有空氣，這就像在活塞上開了個小孔，水將在“大氣柱子”這個活塞產(chǎn)生的壓強(qiáng)作用下流向玻璃管內(nèi)，穩(wěn)定后測出水柱的高度h水，就可算出大氣壓的大小了：

p=ρgh水

可我們怎么才能做一根比大氣層還高的玻璃管呢？其實(shí)管內(nèi)水面上方的那段玻璃管的作用是保證管內(nèi)液面上方?jīng)]有大氣，也就是說只要能保證管內(nèi)液面上方?jīng)]有大氣就不需要那么長的管子了，設(shè)想一下，若在B位置加一塞子，將B上方的那段玻璃管就可以舍去了，這樣我們或許能制造出這根玻璃管，不過就是這樣這根玻璃管也許還是很長。如果我們用這樣長的一根玻璃管來測量大氣壓強(qiáng)也太不方便了，顯然沒有什么實(shí)用價值。

我們知道水銀的密度要比水大得多，如果我們把器皿中的水換成水銀，那么這根管子就會縮小到十三分之一還要多，意大利物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家托里拆利大約在1641年就考慮到了這個問題，當(dāng)時的托里拆利還想到過用較大密度的海水、蜂蜜，最后他選用了水銀取得了實(shí)驗(yàn)的成功。他用一只手握住一根長一米左右、一端封閉的玻璃管中部，將玻璃管內(nèi)灌滿水銀，管內(nèi)不能有一點(diǎn)兒空氣，用一只手指緊緊堵住玻璃管開口端并把此端小心地倒插入盛有水銀的槽里，待開口端全部浸入水銀槽內(nèi)時放開手指（以上所做這一切都是為了省去前文中B點(diǎn)上方的那段管子）?？梢姽軆?nèi)部頂上的水銀已經(jīng)下落，留出空間來，穩(wěn)定后管中水銀柱高度不變，這就是著名的托里拆利實(shí)驗(yàn)！管中水銀面上部顯然是沒有空氣的即是真空，將管子豎直固定，當(dāng)管內(nèi)水銀液面停止下降時，讀出此時水銀液柱與水槽中水平液面的豎直高度差，就是當(dāng)時的大氣壓強(qiáng)。托里拆利在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)不管玻璃管長度如何，也不管玻璃管傾斜程度如何，管內(nèi)水銀柱的垂直高度總是不變的760毫米，于是他提出了可以利用水銀柱高度來測量大氣壓。一根玻璃管、一只水槽、適量水銀再加一個鐵架臺，這的就是一臺水銀氣壓計(jì)了。但是要真的把它當(dāng)成一臺儀器使用顯然還是不行的，托里拆利于1644年同其他科學(xué)家合作，制成了世界上第一具水銀氣壓計(jì)。