巧測大氣壓強

張雯婷

【摘 要】根據課本我們知道，一個標準大氣壓的值是101.325KPa。本文介紹如何使用一個塑料吸盤掛鉤，一個5N的彈簧測力計，通過數學方法和物理公式來測量當地大氣壓強的近似值。分析該方法的可行性，并與其他測量大氣壓強值的方法相比，討論該方法的優點及不足。

【關鍵詞】大氣壓強；彈簧秤；杠桿原理

0 引言

隨著人們對大氣壓強研究的不斷深入，大氣壓強的相關問題在許多領域得到應用，如大氣壓強傳感器在海拔高度測量中的應用等。我們根據所學知曉大氣對浸在它里面的物體產生的壓強叫大氣壓強，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實驗，有力的證明了大氣壓強的存在，這讓人們對大氣壓有了深刻的認識，但大氣壓到底有多大人們還不清楚。1643年意大利科學家托里拆利在一根1米長的細玻璃管中注滿水銀倒置在盛有水銀的水槽中，發現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入，是真空。托里拆利據此推斷大氣的壓強就等于水銀柱產生的壓強，這就是著名的托里拆利實驗。 [1]今天，我們可以通過一些簡單的實驗器材、杠桿原理和壓強公式來測量當地的大氣壓強。

1 實驗裝置設計

實驗裝置由一個塑料吸盤掛鉤、一根直桿、一個著力點、兩條帶鉤的繩子、一塊玻璃和一個5N的彈簧測力計等構成。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，一端固定在直桿的另一端記為B，著力點記為O。將塑料吸盤內的空氣排盡（可適當蘸水），固定在玻璃上。如圖1所示。

2 實驗原理

計算好連接塑料掛鉤端到著力點OA段的距離L1和連接彈簧測力計端到著力點OB段的長度L2，使B處受到的力在彈簧測力計的測量范圍內。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，用彈簧測力計鉤著掛鉤緩慢往下拉，直到吸盤脫離板面，測出此時彈簧測力計的讀數為F2，根據杠桿原理的公式可以得到吸盤處受到的力F：

因為當吸盤恰好脫離桌面時，對吸盤的拉力與大氣對吸盤的壓力正好是一對平衡力，所以此時算出的F就是大氣對吸盤的壓力。同時，通過資料對當地大氣壓進行估測，利用杠桿原理，構造省力杠桿，使得測量值在彈簧測力計的測量范圍內，所以該方法可行。

2.1 杠桿原理

古希臘科學家阿基米德有這樣一句流傳很久的名言：“給我一個支點，我就能撬起整個地球！”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。他首先把杠桿實際應用中的一些經驗知識當作“不證自明的公理”，然后從這些公理出發，運用幾何學通過嚴密的邏輯論證，得出了杠桿原理，即“二重物平衡時，它們離支點的距離與重量成反比。”

3 實驗步驟與結果

3.1 實驗步驟

1）利用游標卡尺重復多次實驗，讀出塑料吸盤掛鉤的直徑D；

2）緩慢拉動彈簧測力計，讀出當吸盤脫離玻璃時的拉力讀數記為F；

3）利用數據分析得到當地的大氣壓強。

3.2 實驗結果

實驗測得的數據如表1所示，其中塑料吸盤的面積S=（7.065±0.006）×10-4m，端點到著力點的長度OA=3cm，OB=70cm，環境溫度t=25℃。

查找資料發現，據杭州市氣象臺觀測站1961～1980年記錄，杭州市區的多年平均氣壓為1011.6百帕，二者基本符合。

4 優缺點分析

4.1 優點

1）和水銀測大氣壓相比，用這種方法測量大氣壓強安全無污染，沒有危險，可以在課堂上演示實驗。水銀是在常溫、常壓下唯一以液態存在的金屬。熔點-38.87℃，沸點356.6℃，密度13.59克/立方厘米。內聚力很強，在空氣中穩定，常溫下蒸發出汞蒸氣，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會形成有機化合物），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致腦和肝損傷。汞可以在生物體內積累，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。汞破壞中樞神經系統，對口、粘膜和牙齒有不良影響。長時間暴露在高汞環境中可以導致腦損傷和死亡。盡管汞沸點很高，但在室內溫度下飽和的汞蒸氣已經達到了中毒劑量的數倍。 [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）該實驗使用到杠桿原理，靈活運用了原有的知識。

4.2 缺點

1）誤差較大。因為測量吸盤的直徑存在誤差，OA和OB段長度的測量存在誤差，彈簧測力計的測量存在誤差，所以該方法測得的大氣壓強不夠準確，只是一個近似值。

5 結語

在大氣壓強的測量中，有許多因素將會對結果產生影響，例如溫度、海拔高度等。本實驗只能得到當地大氣壓強的近似值，但實驗工具易得，實驗方法簡單，能夠在課堂演示，可以激發學生對科學的興趣。通過本次物理實驗，加深了我對大氣壓強、杠桿原理以及讀數的認識，為今后進一步學習實驗操作、科學原理打下了良好的基礎。

【參考文獻】

[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].

[責任編輯：楊玉潔]