托里拆利實驗的改進

王祥委，段娟娟，彭朝陽

(云南師范大學 物理與電子信息學院，云南 昆明 650500)

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托里拆利實驗的改進

王祥委，段娟娟，彭朝陽

(云南師范大學 物理與電子信息學院，云南 昆明 650500)

對傳統(tǒng)的托里拆力實驗進行了改進，用輸液管代替玻璃管，避免了玻璃管易損造成的危害，通過注射器改變密閉水銀中的氣壓，較大程度地避免了接觸水銀的危害，同時，用含硫的海綿減弱裝置中的空氣流速，有效地減緩了水銀的揮發(fā)，并利用硫的強還原性控制銀與空氣的接觸，減弱水銀對環(huán)境的危害，通過觀察水銀柱的變化得出結(jié)論.

托里拆利實驗；水銀；注射器

1 問題的提出

地球被厚厚的大氣層包圍著，因此，地面上的大氣壓就“無處不在”. 但人們卻感知不到大氣壓的存在，就更別談知道大氣壓究竟有多大了. 直到17世紀中葉，著名的意大利物理學家托里拆利利用實驗將大氣壓轉(zhuǎn)換成水銀產(chǎn)生的等大壓強，揭示了大氣壓的存在，并測出了大氣壓強的數(shù)值約為1.013×105Pa. 后人為了紀念這位偉大的科學家，就把該實驗命名為“托里拆利實驗”.

人民教育出版社課程教材研究所編寫的8年級物理(下冊)[1]第9章第3節(jié)“大氣壓強”中對托里拆利實驗做了詳細介紹.但在教學實踐中，按教材中介紹的實驗方式做實驗存在諸多弊端. 李寬迎認為每次實驗都要重新灌注水銀，勞神費力，教師手指接觸水銀，令人望而生畏[2]；劉有全指出往托里拆利管里不易注滿水銀，容易形成氣柱，排出氣柱比較困難，有時需要經(jīng)過多次反復(fù)才可能成功[3]；姜庚祥指出在實驗中稍有不慎就有水銀散落，會造成有毒的水銀蒸汽污染教室環(huán)境[4]；谷紹軍則指出多個班級重復(fù)演示時準備過程麻煩，容易折斷玻璃管[5]. 筆者還發(fā)現(xiàn)按照教材介紹的托里拆利實驗步驟進行實驗難以解釋“玻璃管內(nèi)水銀柱的高度為什么能代表大氣壓強的大小”.

筆者在教材介紹的實驗裝置和其他人改進的裝置的基礎(chǔ)上做了進一步的改進和完善.

2 器材及裝置圖

實驗裝置圖如圖1所示. 實驗器材：注射器(3支)、輸液管(托里拆利管)、刻度尺、含有硫的海綿、鐵架臺.

圖1 實驗改進裝置圖

3 使用方法及步驟

1)按圖1所示組裝好實驗裝置. 用鐵架臺將注射器甲豎直固定，防止其活塞下移.

2)向外拉動注射器丙活塞打開透氣孔，使整個裝置與大氣連通，并將整個裝置水平放置.

3)取下注射器乙，并向其注入20 mL水銀.

4)推動注射器乙活塞，排出注射器乙內(nèi)的空氣，通過輸液管向注射器甲灌注水銀.

5)將各個注射器固定在鐵架臺上，并將整個裝置豎直放置，用刻度尺測量出注射器甲中水銀面到輸液管液柱上表面的高度，約為760 mm.

6)將注射器乙左右、上下移動，水銀柱高度保持不變.

在實際的初中物理教學中，為了讓學生理解“大氣壓支撐了輸液管中的水銀”這一概念，可以利用該裝置做如下的嘗試：

1)關(guān)閉透氣孔，推動注射器丙活塞向注射器甲中充氣，使輸液管中的水銀柱上升到一定高度. 問學生：“是什么力量使水銀柱上升的？如果繼續(xù)使水銀柱上升該怎么辦？”

2)繼續(xù)慢慢向注射器甲內(nèi)充入空氣，當水銀柱剛好到達輸液管上端口時，保持不動. 問學生：“要使水銀柱下降該怎么辦？”然后拉動注射器丙的活塞向注射器甲中抽氣，觀察輸液管中水銀柱的移動情況.

3)繼續(xù)拉動注射器丙活塞，直至活塞被拉至注射器尾部，問學生：“為什么輸液管中水銀柱仍會高出注射器甲中的水銀面？”

4)推動注射器丙的活塞，當水銀柱下降到一定高度時，打開透氣孔使得注射器甲與空氣相通，問學生：“注射器甲內(nèi)氣壓和外界大氣壓的大小關(guān)系. ”

5)用刻度尺量出輸液管中水銀柱的高度約為760 mm.

4 結(jié)束語

本裝置取材方便，結(jié)構(gòu)簡單，便于存放，使用輸液管避免了玻璃管容易被折斷，也不用每次實驗時教師都要用手指重新灌注水銀，且只要操作細心，可以避免手指直接接觸到水銀;水銀雖然有毒，易揮發(fā)，但在本裝置中含有硫的海綿能減弱裝置中空氣流速，有效減緩水銀的揮發(fā)，而且硫具有很強的還原性，揮發(fā)的水銀與硫反應(yīng)，使得水銀沒有與空氣充分接觸，在一定程度上也減弱了水銀對環(huán)境的危害；本裝置利用普通的注射器，向密閉水銀中“充氣”和“抽氣”，改變密閉水銀中的氣壓，觀察水銀柱的變化，可以幫助學生得出結(jié)論：是大氣壓支撐了輸液管中的水銀，水銀柱的高度表現(xiàn)了大氣壓強的大小. 輸液管(托里拆利管)內(nèi)壁會附著些微小的小氣泡，對測定氣壓有一些影響，如果排盡微小的氣泡，測得結(jié)果將更接近實際值.

[1] 彭前程. 義務(wù)教育教科書·八年級物理(下冊)[M]. 北京：人民教育出版社，2010：39-40.

[2] 李寬迎. 對“托里拆利演示實驗”的改進[J]. 中學物理教學參考，2008(9):59.

[3] 劉有全. 對托里拆利實驗在技術(shù)上的改進[J]. 物理實驗，2000,20(9)：33.

[4] 姜庚祥. 托里拆利實驗演示器的改進[J]. 中學物理教學參考,2002(8)：26.

[5] 谷紹軍. 托里拆利實驗儀的改制[J]. 中國教育技術(shù)裝備,2002(3)：27-28.

[責任編輯：尹冬梅]

Improvement of the Torricelli experiment

WANG Xiang-wei, DUAN Juan-juan, PENG Zhao-yang

(Physical and Electronic Information Technology, Yunnan Normal University, Kunming 650500, China)

The traditional Torricelli experiment was improved. Firstly, to avoid the breaking of the fragile glass tube, an infusion tube was used instead. Secondly, to prevent exposure to mercury, the pressure in the sealed chamber was adjusted by an injector. Thirdly, a sponge with sulfur was placed in the device to reduce the air velocity. Because of the strong reducibility of sulfur, the volatilization of mercury was retard. By observing the rise and fall of the mercury, the air press could be measured.

Torricelli experiment; mercury; injector

2016-06-16

云南師范大學研究生科研創(chuàng)新基金(No.yjs201667)

王祥委(1990-)，男，云南宣威人，云南師范大學物理與電子信息學院2015級碩士研究生，研究方向物理學科教學.

彭朝陽(1971-)，男，江西安福人，云南師范大學物理與電子信息學院教授，博士，研究方向物理課程教學和天體物理.

G633.7

A

1005-4642(2016)11-0045-02