物理物态变化的口诀(初中物理知识拓展)

托里拆利是大名鼎鼎的物理学家伽里略的学生。伽利略曾设计了一款水泵,但是这台泵只能把水抽到大约9.75米的高度,这个现象令他百思不得其解。而他的学生托里拆利对真空很感兴趣,他推测老师设计的泵可能产生了真空,这是因为空气的压力向上推泵的入口处的水是将水抬升的原因。

物理物态变化的口诀(初中物理知识拓展)(1)

托里拆利是一个非常执着的人,对这个问题非常不满足于推断和假设,他要去验证自己的假设。正当他无从着手的时候,偶然间脑洞大开,灵光一闪,有办法了,为何不选用一种密度比水大得多的流体来实验呢?

在众多的流体中,水银是最合乎逻辑的选择,这不仅因为水银在室温下是流体,还因为水银的密度约是水的13倍,更方便于实验结果的类比。

于是,托里拆利就开始着手实验。他选择了一根1m长的玻璃管,一端封闭,另一端开放,并在管子里充满了水银,然后用手指堵住管子开口,将管子倒立,把开口端置于一个敞开的水银空器中。结果发现,当水银从玻璃管流到容器中到达平衡时,在管中留下了一段约760mm高的水银柱。这显然是空气压力作用于敞开容器中水银面的结果。

物理物态变化的口诀(初中物理知识拓展)(2)

物理物态变化的口诀(初中物理知识拓展)(3)

托里拆利小心地用实验演示,在玻璃管的顶上水银柱之上的空间里存在着真空。水银柱不掉下来的原因是,水银柱顶上的压力实际上为零,而柱底的压力则等于大气的气压。

我们常常将大气压用毫米汞柱高度为单位表示。它同帕斯卡有什么关系?

如果我们知道水银的密度,就能建立这两个单位之间的关系。由水银的密度可以求得大气支托的水银柱的重量。将这个重量除以玻璃管的截面积,便可求出单位面积上的力或压力。这样,我们推出 760mm 高的水银柱产生的压力为1.01x10ⁿPa(n=5),称为一个标准大气压。具体计算过程如下:

m水银=ρ水银V=ρ水银xSL

则G水银=m水银g=ρ水银xSLxg

所以有P=G水银/S

=ρ水银xLxg

=13.6x10³x0.76x9.8Pa

=1.0.1×10ⁿPa/m²(n=5)。

做学问的道路上,不会总是一帆风顺,坎坎坷坷肯定难免,但只要你像托里拆利一样,执着专一不放弃,总会有脑洞大开的时候,而困难也就会迎刃而解。

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