關于初中“托里拆利實驗”的１０個問題
2008-12-31 00:00:00閆為民
物理教學探討 2008年24期
問題1 當灌滿水銀的玻璃管插入水銀槽松開手指時，玻璃管中的水銀柱為什么會下降？
答 選擇與水銀槽內水銀面相平的管內“水銀片”為研究對象，此時水銀片受到兩個壓強。一個時上面水銀對它向下的壓強p水銀，另一個是大氣對它向上的壓強p大氣。因p水銀＞p大氣，所水銀片向下運動，因此管內水銀柱會下降。
問題2 玻璃管中的水銀為什么下降到一定程度就不再下降？
答 在水銀下降過程中，水銀柱的高度h不斷減小，據p水銀＝ρ水銀gh可知“水銀片”受到向下的壓強不斷減小。當p水銀＝p大氣時，“水銀片”受到了平衡力的作用，而處于靜止狀態，所以水銀柱不再下降。
由此，p大氣＝p水銀＝ρ水銀gh＝13.6×106kg/m3×9.8N/kg×0.76m＝1.01×105Pa，叫做標準大氣壓。
問題3 實驗時玻璃管內的空氣沒有排盡會對實驗有什么影響？
答 管內的空氣沒有排盡，當水銀柱下降時空氣泡就向上跑，此時水銀柱上方不是真空，那么也有一定的壓強，設為p氣，所以水銀片受到三個壓強，分別為向上的大氣壓強p大氣向下的水銀壓強p水銀及水銀柱上部氣體的壓強p氣。當水銀片處于靜止狀態，p大氣＝p水銀＋p氣。那么測量值比實際大氣壓的值偏小。
問題4 當玻管傾斜時，會出現什么現象？
答 如圖所示，當玻璃管傾斜時，因“水銀片”仍處于靜止狀態，則p大氣＝p水銀＝ρ水銀gh不變，所以水銀柱的高度不變，水銀柱的長度增加。
問題5 玻璃管的粗細對實驗有影響嗎？
答 沒影響，因為p大氣＝p水銀＝ρ水銀gh，據液體壓強的特點可知，水銀柱所產生的壓強只與水銀柱的高度有關，而與水銀柱的截面積無關（但是玻璃不能太細，如果太細，由于水的粘滯力的作用會影響測量結果）。
問題6 向上提或向下壓玻璃管會出現哪些現象？
答 無論向上、向下提壓玻璃管都不會影響實驗結果，因為水銀柱產生的壓強始終等于大氣壓，p大氣＝p水銀＝ρ水銀gh那么水銀柱的高度不變。
問題7 玻璃管為什么長約為1m？
答 標準大氣壓能支持76cm高的水銀柱，所以要求玻璃管大于76cm。若此實驗玻璃管長度小于76cm時，則水銀柱不會下降，此時大氣壓大于水銀柱所產生的壓強，無法得到正確的測量結果。
問題8 猜想若采用50cm玻璃管做此實驗，當玻璃管頂部敲一小孔，水銀會噴出嗎？
答 若采用50cm玻璃管，管頂受到水銀向上的壓強為p上＝p大氣－p水銀，所以水銀有向上噴出的趨勢，當在頂端敲一小孔時，水銀又受到大氣向下的壓強，這時“水銀片”受到向下的壓強為p大氣＋p水銀大于“水銀片”受到向上的壓強p大氣，水銀柱將全部下降。
問題9 此實驗能否用水代替水銀？
答 能，但需要的玻璃管至少為10.34m。因為p大氣＝p水＝ρ水gh水，所以
h水=p大氣ρ水g＝10.34m。
問題10 為什么我們此地所作的實驗，水銀柱高度為65cm？
答 據托里拆利實驗，p大氣＝p水銀，可知我們此地的大氣壓比標準大氣壓小，其原因是我們所處的位置海拔高度為1 400m左右，可見大氣壓強隨著海拔高度的增加而減小。
