托里拆利實驗裝置的重新設計

盡管直觀驗證并測定大氣壓強的托里拆利實驗已經在中學物理教材上存在了很久，但由于這個實驗本身的危險性較大，基本上沒有任課教師會選擇在課堂上帶領學生去重做這個實驗。在本文中，我們通過設計一種新型的實驗裝置去重現了托里拆利實驗，該裝置能夠極大地降低經典托里拆利實驗的危險性，以便任課教師能在課堂上完成這個實驗。

引言：

大氣壓強是空氣作用在單位面積上的壓力，在數值上等于單位面積上向上延伸到大氣上界的垂直空氣柱所受到的重力。如今，中學的物理教材基本都包含有經典的托里拆利實驗，如圖1，因為它能夠直觀地展示大氣壓強的存在以及其大小。但是，由于該實驗本身屬性的原因，大部分教師無法在物理課堂上帶領學生去做這個實驗。首先，托里拆利實驗會用到大量水銀，而水銀具有毒性。對于傳統的托里拆利實驗，實驗人員都會不可避免地直接接觸到大量水銀，極大地危害了他們的健康。其次，由于大量水銀盛放在開口寬闊的玻璃槽中，水銀的蒸發會還會危害到觀看演示實驗的同學的健康，同時還會引起環境污染問題。最后，該實驗用到的水銀量較大，浪費比較嚴重，大量水銀在實驗后的存儲和處理也是比較麻煩的問題。正因為這些原因，一般課堂上，任課教師只能通過播放視頻來演示托里拆利實驗。但是，這種方式沒有直接演示實驗給學生的代入感強，對于初學物理不久的中學生來講也是一種遺憾。我們認為這是中學物理課堂上一個比較嚴峻的問題，因為它使得學習一門基于實驗的學科的學生不能以一種清晰直觀的方式去理解大氣壓強。

因此，為了使得中學物理教師能有機會在中學生課堂上直觀地演示托里拆利實驗，我們設計了一種新的實驗裝置作為改進的托里拆利實驗。通過一個特殊的密封容器，我們可以減少水銀使用并且極大地減少水銀和空氣的接觸面積，同時實驗人員也避免了和水銀的直接接觸，使實驗的安全性得到了極大的保障。

改進的托里拆利實驗裝置：

現在已經有一些流行的方式去重做托里拆利實驗，例如用水代替水銀，或者設計一個新的容器和實驗方法。根據公式 ，如果我們用水代替水銀，完成這個實驗就需要大約10.3米高的水柱和管子。先不考慮找到合適的管子的困難性，一個普通中學的實驗室也無法提供所需要的環境。除此之外，有些人也打算通過按比例減少水的使用和管子的大小，再通過計算去得出最終的數據。但考慮到實驗人員會是中學生，這是他們第一次接觸大氣壓強，所以我們認為重做的托里拆利實驗不能這么復雜，它應該能很直接的給出結果。當然，也有人曾嘗試去發明一個新的容器，但我們發現他們的這些方法也太過復雜或仍然還有危害。

考慮到安全問題，我們這里設計使用一個封閉的容器去減少水銀蒸發，并且通過一個可以拔插的塞子控制水銀和空氣的接觸。在減少蒸發的基礎上，我們把經典托里拆利實驗中的兩個容器做成一個整體從而確保密封性，以使得實驗人員不會直接和水銀接觸，如圖3所示。

在經典的托里拆利實驗中，實驗人員通過翻轉一個裝滿水銀的管子制造真空。當水銀因為重力下落時，管子頂部會形成真空，并且水銀會在一定高度停止下降。為了重現一個和經典托里拆利實驗同樣的實驗結果，我們對重新設計的實驗裝置按照以下步驟依次操作：1. 把容器底部的瓶子裝入一定量的水銀;2. 緩慢地翻轉容器使得瓶子里的水銀緩緩流入玻璃管中;3. 再次翻轉容器。在最后一次翻轉過程中，我們用了和托里拆利相似的方法在玻璃管頂部制造了一個真空區，但是過程中完全避免了實驗人員和水銀的直接接觸。

當整個容器最終處于平衡狀態時，管子里的汞柱會呈現出和經典托里拆利實驗一樣的性質：汞柱的垂直高度不會因為容器的傾斜而改變。為了方便測量，我們把一個可以旋轉并且伸縮的尺子固定在容器的頂部，如圖4。這樣，無論容器怎樣傾斜，尺子始終垂直于水平面，從而更方便的去測量汞柱的高度。

測試與實驗結果：

因為實驗儀器的限制，我們無法購買到水銀去測試我們的方法，所以我們將用水代替水銀去測設儀器的可行性（注意僅僅是可行性）。同時，我們是用的容器也是手工制作的，所以，我們暫時無法還原一個精確的實驗。我們將會使用到以下器材：1. 一個1m長，容積為60ml的管子; 2. 一個容積為125ml的廣口瓶。通過計算，廣口瓶和管子的容積之比為 。所以為了確保管子的底部在平衡狀態時始終沒入廣口瓶內的水，我們大致需要兩倍于管子容積的水，如圖5和圖6所示。理論上，當我們進行完所有步驟后，水柱的高度不會下降。并且，如果水柱高度有下降，下降之后無論我們如何傾斜容器，水柱的垂直高度并不會改變。

在我們的測試當中，水柱高度有了明顯的下降。這是因為我們的容器沒有很好的密封性，所以當我們進行步驟3時無法制造完美的真空。我們認為這是可以接受的誤差因為測試的主要目的是確認裝置的可行性。如圖7所示，無論我們怎么傾斜容器，水柱的垂直高度一直沒有變化，這符合我們的預期。所以，如果當我們使用更加完美的容器并且用回水銀，這個實驗的結果會和經典托里拆利實驗的結果一致。在整個實驗過程中，只有一小部分水因為密封問題漏了出來，但如果使用的是密封性良好的容器，就不會出現漏水。所以，水銀泄漏的問題也很好的被解決了。

總結與討論

通過測試，我們證實了用一個由長玻璃管和廣口玻璃瓶組成的改進裝置重復托里拆利實驗的可行性。并且我們裝置的安全性有極大的保證，具有明顯的優點和可操作性。因此，中學物理教師可以采用我們的裝置在課堂上演示托里拆利實驗，這會使老師和學生同時受益。當然，除了托里拆利實驗，中學課本中還存在著很多其他具有隱患的實驗，這些危害也需要被解決。

參考文獻：

[1]張起祥， 張曉英. ?托里拆利實驗的新設計[J]. 中學物理教學參考， 2001（11）：13-14.

[2]龔楊. 關于托里拆利實驗的幾點思考[J].新課程·中旬， 2016（7）.

[3]任紀國.淺談《托里拆利實驗》的改進[J]. 學子（理論版）， 2015（4）：23-23

作者簡介：王靖凱（2002.12-），男，漢族，廣東深圳人，高中二年級，學生;研究方向：物理、物理教育。