氣壓計

氣壓計是用來測量大氣壓強的儀器.你知道氣壓計的發明者是誰嗎？他就是意大利物理學家和數學家托里拆利（Evangelista Torricelli，1608-1647）.托里拆利于1608年10月15日出生在意大利華耶查城的一個貴族家庭，從小受到良好的數學教育，他天資聰慧，勤奮好學，在十七八歲時，就表現出卓越的數學才能.后來由于他很崇拜伽利略，精讀了伽利略的許多著作，受到了很大啟發，從此他又愛上了物理學，特別崇尚物理學的實驗方法.1641年托里拆利出版了《論重物的運動》一書，伽利略看到后非常欣賞他的卓越見解.經他的老師卡斯德利推薦做了伽利略的助手.1642年伽利略逝世后，34歲的托里拆利接替伽利略擔任了佛羅倫薩學院物理學及數學教授，并被任命為宮廷首席數學家.從此他把主要精力都投入到大量的實驗研究上，完成了被后來用他的名字命名的“托里拆利實驗”，成為第一個測量出大氣壓強數值的科學家.1647年在他39歲生日之際，突然病倒，不久與世長辭.在他短暫的一生中，托里拆利取得了多方面的杰出成就，贏得了很高的聲譽，成為17世紀西方一位頗負盛名的科學家.

著名的“托里拆利實驗”

1643年，托里拆利在前人實驗的基礎上受到啟發，選用密度較大的水銀（密度約是水的14倍）做實驗，最終獲得了成功.他在一根長度約為1米、一端封閉的玻璃管（后稱托里拆利管）內灌滿水銀，然后用手指堵住管口，將其倒插進裝有水銀的水銀槽里（如圖），放開手指后，可看到原來充滿玻璃管的水銀柱迅速下降，并停留在一定的高度處，頂部讓出了空間.為了進一步證實管中水銀柱上部空間是真空，托里拆利又改進了實驗.他在水銀槽中的水銀面上注入清水直到缸口，然后把玻璃管緩緩地向上提起，當玻璃管管口提高到水銀和水的分界面以上時，管中的水銀便很快地瀉了出來，同時水猛然向上竄入管中，直至管頂.由此可見，原先管內水銀柱上方部分確實是空無所有的真空.這是人類最早用人工方法獲得的真空，曾轟動一時，人們把它叫做托里拆利真空.原先的水銀柱和現在的水柱都不是被“真空力”所吸引住的，而是被管外水銀面上的大氣重量所產生的壓力托住的.托里拆利在實驗中進一步研究發現：不管玻璃管的長度如何、粗細如何，也不管玻璃管是處于豎直的還是傾斜的，管內水銀柱（即管內水銀液面到水銀槽中水銀液面）的豎直高度總是保持在760毫米左右.這就是著名的“托里拆利實驗”.

氣壓計的發明

根據托里拆利實驗原理，既然大氣壓可以托起一定高度的水銀柱，于是托里拆利就提出了可以利用水銀柱高度來測量大氣壓的大小.1644年，他同維維安尼合作，制成了世界上第一具水銀氣壓計.由于這具水銀氣壓計直接用水銀柱高度來表示大氣壓的大小，后來人們把相當于1毫米水銀柱高的壓強叫做1托里拆利，以紀念他的偉大貢獻.托里拆利在實驗研究中還發現，玻璃管中水銀柱的高度會隨地面的高度、天氣的陰晴及氣溫的變化而變化，由此得出大氣壓強也是隨著高度、陰晴及氣溫的變化而變化的結論.使人們認識到天氣的陰晴與大氣壓的變化存在一定的因果關系，利用氣壓計觀測大氣壓強的變化就可以進行天氣預報.當氣壓計中的水銀柱下降時，往往預示著陰雨天氣的到來；反之，當氣壓計中的水銀柱上升時，天氣將轉晴，故而氣壓計又被叫做“晴雨表”.氣壓計的發明具有重要的意義，它開啟了定量測量大氣的研究方法，推動了大氣科學的發展.

氣壓計的種類

氣壓計分為兩種：一種是水銀氣壓計，另一種是無液氣壓計.

1.水銀氣壓計 它是根據托里拆利實驗原理制成的，大氣壓強不同，托起的水銀柱高度就不同.下圖是實際應用的一種“福廷式水銀氣壓計”，玻璃管底部的水銀槽是用一個皮囊所代替，并附有可以調準的象牙針使其指示水銀面，在玻璃管外面加上一個金屬護套，套管上刻有量度水銀柱高度的刻度尺.在水銀槽頂上另裝一只象牙針，針尖正好位于管外刻度尺的零點，另用皮袋作為水銀槽底.使用時，輕轉皮袋下的螺旋，使槽內水銀面恰好跟象牙針尖接觸（即與刻度尺的零點在同一水平線上），然后由管上刻度尺讀出水銀柱的高度，此高度示數即為當時所測地方大氣壓的大小.大氣壓的單位可以直接用毫米水銀柱高表示，也可以使用國際單位制帕斯卡（Pa）作單位，如果測出的是水銀柱高h，根據p=ρ汞gh公式計算出的數值就是以帕斯卡為單位的.當然這個計算結果在制造氣壓計時就把它標到氣壓計上了，通過水銀面對準的刻度，就可以知道大氣壓強的大小了.

水銀氣壓計的優點是測量準確，缺點是體積較大、攜帶不方便、易損壞.多用于實驗測量、氣象觀測等.

2.無液氣壓計 無液氣壓計最常見的一種就是金屬盒氣壓計，它主要是由表面帶有波紋狀的真空金屬盒、杠桿傳動機構以及指針等部分組成，如下圖所示.金屬盒氣壓計的工作原理是：以彈性材料做成的薄膜真空金屬盒作為感應元件，它將大氣壓強作用在空盒上的壓力轉換成空盒的彈性軸向位移，通過杠桿和傳動機構傳給指針，使指針發生偏轉.為了不使金屬盒被大氣壓所壓扁，用彈性鋼片向外拉著它.當大氣壓強增大時，盒蓋就向內凹進去一些，彈性鋼片就帶動指針沿順時針方向偏轉.指針順時針偏轉角度越大，說明大氣壓升高變化量就越大.當大氣壓強減小時，彈性鋼片就把盒蓋向外拉起來一些，這時彈性鋼片又帶動指針沿逆時針方向偏轉.指針逆時針偏轉角度越大，說明大氣壓降低的變化量就越大.當空盒的彈性應力與大氣壓力相平衡時，指針就停止轉動，這時指針下面刻度盤上的示數，就是當時大氣壓強的值.如果在無液氣壓計的刻度盤上標的不是大氣壓的值，而是高度，于是就改裝成了航空及登山用的高度計.

它的優點是使用方便、體積小便于攜帶，但缺點是測量結果不夠準確.多用于登山測量、飛機的高度計等.

自制簡易氣壓計

如下圖所示，在玻璃瓶中裝入一些紅顏色的水，再取一根兩端開口的細玻璃管，在它上面畫上刻度，使玻璃管穿過橡皮塞插入水中并塞緊瓶塞，從管子上端吹入少量氣體，使細玻璃管中的紅色水柱上升到瓶塞以上的某條刻度位置，就制成了一個簡易氣壓計.可以把它作為“晴雨表”使用：若玻璃管內的水柱上升，則表明大氣壓強降低，預示著陰雨天氣來臨；若玻璃管內的水柱下降，則表明大氣壓強升高，預示著天氣將轉晴.若把氣壓計從山腳帶到山頂上，玻璃管內的水柱就會升高，反之就會下降.通過實驗我們再給它標上高度值，還可以作為“高度計”使用，同學們不妨動手制作一個吧！