【嘉贡 · 学科特色】科学研究应当学会思考和质疑——从大气压强看物理学史

作者:zhangxuwei发表时间:2022-04-19 阅读次数:193

众所周知,空气和液体都是流体,液体的重力和流动性使它产生液体压强,空气中也存在压强,我们将之称为大气压强(p0=1.013×105Pa),大气压的强大足以将一个水桶轻易压扁。大气压是怎么被发现和测量出来的呢,今天就让我们一起来探寻大气压的历史。

在很久以前,古罗马人就注意到一个现象:用来输送水的水管, 无法将水输送到10m以上的地方,在超过10m深的井里, 抽水泵便不起作用了。当时聪明的人们已经发现只要将抽水机中的空气排出,水就会沿着水管往上流,但他们却无法解释水为什么会往上流。此时亚里士多德的名言“大自然厌恶真空”在当时就“恰到好处地”解释了这一现象,所以早期的学者普遍认为真空是不可能存在的。

      “真空不能存在”这一说法长期以来束缚人们的思想,直到伽利略提出质疑,他认为,抽水时水泵里的水柱超过一定的重量时,水泵的活塞就无法继续拉动水面上升,于是就在活塞和水面之间形成了真空。对此,伽利略猜测,自然具有厌恶真空的性质,因此为了避免出现真空,就会有一种力使得活塞能够把水面拉上来,他把这种力称为“真空力”。我们现在知道,伽利略的这种解释是错误的。

      完整解释这一现象的,正是伽利略晚年的学生——托里拆利。托里拆利坚决赞同伽利略的关于空气有重量和真空存在的说法。在总结前人理论和实验的基础上,托里拆利自己进行了大量的实验,通过不断改进实验,最终实现了真空,合理地解答了抽水机抽水原理,解释了为什么抽水机不能把水抽到超过10米高,并验证了空气有重量的事实。

当时托里拆利为了验证伽利略晚年对真空力的猜想,借鉴了著名的数学家、天文学家贝尔的铅管水柱实验。经过多次尝试,他想到,如果水柱最大能达到10m高,而水银的密度是水的13.6倍,那用水银来做实验就不必准备那么长的管子,只需不到一米即可,在操作上就变得简单了许多。

1643年,他制造了一支大约一米长的大号试管,一头密封,一头开口。把玻璃管灌满水银,然后用手指顶住管口,将其倒插进装有水银的水银槽里。放开手指后,发现管内水银从顶部开始下落,留出一部分空间,那这部分空间里面是什么呢?答案当然是什么都没有!也就是说上方是真空的,这个实验证明,真空是实际存在的,这部分真空就被称为托里拆利真空。这个实验说明:自然界有真空存在,大气有重量、能对物体产生压力,使水银产生液柱。托里拆利还认识到地球表面(包括海洋在内)处于一个庞大的“空气洋”之下,这个“空气洋”具有压力。1644年,他提到:我们生活在空气之海之底。大气压是无处不在的。

经过多次试验和测量,托里拆利发现水银柱的竖直高度为760mm,说明大气压的存在只能够将水银托起760mm高,当水银静止时,大气作用在水银槽表面的压力就应当等于水银柱在此表面上产生的压力,水银柱产生的压强也应该等于此地的大气压强。于是,根据液体压强公式就可以算出大气压0水银1.013×105Pa。托里拆利真空试验第一次让人们可以测出大气压的值,为物理学的发展做出来巨大贡献。

可以说,托里拆利的实验完全否定了亚里士多德的力学观点,大气压强的存在是对亚里士多德观点的致命打击,于是有些人便妄图否定托里拆利的研究成果,提出“纯净的空气”的概念,否定托里拆利实验中玻璃管上方的真空。各路学者各抒己见,众说纷纭,引起了一场激烈的争论,在托里拆利去世后。争论一直持续到帕斯卡成功证实托里拆利的理论后才逐渐统一起来。

在这期间,著名的马德堡半球实验又一次为托里拆利的观点提供了有力的证明。1657年,也就是托里拆利去世十年后,德国科学家奥托·格里克公开展示了一个惊人的实验。他把两个空心铜半球紧贴在一起,用自己发明的抽气机抽出球内的空气,然后用马向相反的方向拉两个半球,结果用了16匹才把它们拉开,并且在拉开瞬间发出了很大的响声,像放炮一样。当时围观的市民非常吃惊,而格里克则利用这一机会,告诉市民这是“空气的力量”。平时,我们将两个半球紧密合拢,只需很小的力,就会分开。这是因为球内球外都有大气压力的作用,内外气压相互抵消平衡了,就好像没有大气作用。而把它内部空气抽出后,球内就几乎没有向外的大气压力了,只有球外大气紧紧地压住这两个半球。即抽气前,半球的外部压力等于其内部压力等于大气压。但抽气后,半球外部压力远大于其内部压力,就好像大气压“压”住了两个半球,所以这两个半球必须用较大的力才能拉开。

大气压的发展史告诉我们 一个道理,科学的研究是永无止尽的,对于未知的事物,我们需要有一颗不断探索的心,同时,前人的研究成果也许并不一定完全正确,我们应当保持质疑的精神,学会从多个角度思考问题、解决问题。在物理学史上,伽利略推翻了亚里士多德关于物体下落快慢的观点;牛顿推翻了亚里士多德对光的论述;从光的粒子学说到光的波动学说,再到爱因斯坦的光量子理论确立,光的波粒二象性写入课本,物理学对光是波还是粒子的理论反复颠覆,是人们对光认识的一次次飞跃,正是由于众多物理学家反复的质和疑探索才有了如今系统的物理学理论。

如今的我们有了更多简单的方法来证明大气压的存在,例如覆杯实验、水桶实验、瓶吞鸡蛋等等,我们嘉贡的初二学子们也在这些伟人精神的影响下,不断思考和探索,让我们一起来看一看学生们的实验成果吧。

将知识点与物理学史相结合,不仅让学生掌握了知识,更培养了孩子们的科学态度和科学精神,课后通过证明大气压的实验活动,孩子们将知识与生活紧密联系,亲身体验了大气压的存在,加深了对知识的理解。

希望孩子们能够一直保持这种探索精神、保持动手实验的热情。当我们在学习这些知识的时候,请不要忘了先贤们在研究发现这些现象时的艰辛历程,前人的努力造就了当事人的舒适和安逸。如今的我们享受着精确到小时的精准天气预报,精确的自然灾害预警让我们在面对台风海啸等恶劣天气时有了充足的准备时间,气象学的蓬勃发展保障了人类的生命财产安全,方便了我们的日常生活,这些都与大气压强都是密不可分的。但对这些问题的研究仍然还有很长的一段路要走,海洋气象学、航空气象学,农业气象学、森林气象学、污染气象学、雷达气象学、卫星气象学、宇宙气象学等各个方面还等待着我们的探索。


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