巧制簡易氣壓計(jì)

張泓筠 楊永亮 黃 意 韓偉超

（凱里學(xué)院物理和電子工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心，貴州 凱里 556011）

1 問題的提出

大氣壓的測定可以通過托里拆利管，或通過專業(yè)氣壓計(jì)（水銀氣壓計(jì)或無液氣壓計(jì)）來測定.［1－3］雖然用托里拆利管和水銀能夠簡易直觀地顯示大氣壓的存在及其大小，但每次教學(xué)時(shí)用同樣的方法操作一次，難免繁瑣，況且水銀有毒，每次都要加倍小心，以免弄出意外.［4－5］教學(xué)演示大氣壓的存在和測定大氣壓目的在于使學(xué)生理解，而不完全在于測量.為此，我們結(jié)合教學(xué)和工程測試需要并借鑒已有簡易氣壓計(jì)［6－7］設(shè)計(jì)了一道簡易裝置能夠準(zhǔn)確測定大氣壓的大小.

2 器材及裝置圖

25mm×200mm試管及配套雙孔橡皮塞，塑料管（7×9mm，長80～90cm，帶刻度），鐵架臺(tái)（帶鐵夾和鐵圈），酒精燈，石棉網(wǎng)，水盤，乳膠管（5mm×7mm），直角玻璃彎管（5mm×7mm），透明膠，石蠟，甘油（或硫化鈉溶液），大號針頭注射器（容量50mL），膠頭滴管，泡沫墊，大號縫衣針（直徑略大于注射器針頭直徑），細(xì)長鋼絲［1000mm左右，一端彎成圓環(huán)形（直徑略小于塑料管內(nèi)徑）呈燃燒匙狀］.裝置如圖1（a）、（b）和（c）所示.

圖1 簡易氣壓計(jì)結(jié)構(gòu)

3 制作方法

水銀易蒸發(fā)、氧化污染環(huán)境，使用應(yīng)注意環(huán)保.本文制作用甘油液封隔絕水銀與空氣接觸；制作時(shí)應(yīng)穿好防毒工作服，戴好口罩或面罩并準(zhǔn)備硫磺以待急用，操作最好放在稍大點(diǎn)的水盤上進(jìn)行.如圖1（a）所示，具體制作過程如下.

（1）在塑料帽中放滿石蠟，然后用鑷子夾住將其放入用燒杯裝的熱水中（溫度接近沸水溫度），將石蠟熔化；取出置于桌面上，將塑料管套入蓋中，石蠟冷卻凝固，塑料管端口被石蠟封住，然后輕輕擰動(dòng)塑料帽將其從塑料管端取出；用粗縫衣針在石蠟上鉆一小孔將其打穿以便后面注射水銀和甘油所用.

（2）將塑料管和玻璃彎管（彎管角度應(yīng)大于90°以便甘油能滴入）分別套入雙孔橡皮塞中；塑料管口（未封石蠟端）插入深度達(dá)到當(dāng)塞子塞上試管口時(shí)能夠插入接近底部（距底部約10mm）；并在彎管上套入乳膠管.

（3）在試管中放適量石蠟（能蓋住底部），置石棉網(wǎng)上加熱（也可用水浴加熱）使其平鋪瓶底，待石蠟冷卻凝固前將上述已套入橡皮塞中的塑料管插入石蠟中約5mm深，然后輕輕擰動(dòng)塑料管，冷卻后將管子取出（不要破壞平整的石蠟面），形成約5mm深石蠟洞.

（4）重新將塞子（連同塑料管和彎管）塞入試管口，塑料管口插入試管底部的石蠟洞中，左右小幅度輕輕擰動(dòng)塞子并擠壓塞緊試管口.

（5）為安全起見，可準(zhǔn)備一厚壁（壁厚3～5mm）圓柱形透明塑料圓筒（內(nèi)徑大于玻璃管外徑約10mm左右），在塑料筒底部和周邊墊上泡沫墊加固試管），將玻璃管嵌入其中（試管內(nèi)塑料管刻度不要被泡沫擋?。缓髮⒄籽b置豎直固定在鐵架臺(tái)上.

（6）用注射器取甘油通過玻璃彎管注入試管中，厚度為h0＝10mm（阻擋水銀蒸發(fā)并抵消塑料管頂部等厚度甘油產(chǎn)生的壓強(qiáng)）.

（7）用注射器取水銀沿塑料管內(nèi)壁注入管中；直至最后10mm用甘油注滿，將空氣全部排出（注入時(shí)盡量慢，以免殘留空氣，若有空氣殘留，可插入鋼絲上下抽動(dòng)排除）.

（8）將塑料帽套上塑料管頂擰緊，然后用吸管吸沸水滴塑料帽加熱其內(nèi)石蠟使石蠟柱上層石蠟熔化，冷卻凝固后將針孔封住，并用透明膠將塑料帽與管子粘牢.

（9）輕微擰動(dòng)塑料管并稍往上拉，使其慢慢離開石蠟洞（切勿露出瓶內(nèi)甘油面，以免水銀流出過多導(dǎo)致試管中的甘油或空氣竄入塑料管）讓管中水銀慢慢流出（為控制流出量及流出速度，必要時(shí)還要旋緊橡皮塞使管口頂住石蠟洞口，然后再微微松開）；水銀流出一定量高出石蠟面若干mm后，旋轉(zhuǎn)橡皮塞控制塑料管口位于水銀面下，讓水銀慢慢流入試管中直至最后穩(wěn)定不再流出為止，此時(shí)對應(yīng)的水銀柱高度即為大氣壓.進(jìn)一步旋緊塞子并用石蠟封牢塞子與試管接口周邊以及塑料管和玻璃彎管與塞子接口周邊（加固裝置和密封空氣以防蒸汽外泄，特別是水銀蒸汽，盡管極其微?。?

（10）將整套裝置豎直固定在鐵架臺(tái)上，用止水夾夾住彎管上的乳膠管；不用時(shí)可將其從鐵架臺(tái)上取下裝入專用的長方形木箱避光、避高溫保存.

4 使用方法

（1）使用時(shí)裝置要放在鐵架臺(tái)上并固定，只要取下乳膠管上的止水夾讓試管內(nèi)空氣與外界空氣連通即可；讀數(shù)時(shí)大氣壓對應(yīng)的位置是水銀柱頂端而不是甘油柱上端.

（2）鑒于塑料管較長，不好放置.若是臨時(shí)教學(xué)或其他需要使用一下，可用粗縫衣針將塑料管頂部的石蠟插穿，讓空氣從上進(jìn)入將水銀放入試管中，然后輕輕擰動(dòng)塑料管將其從橡皮塞中取出，并做一端部為錐形的小竹棒將小孔堵上.小小塑料筒存放更為方便，可直接放入危險(xiǎn)品柜中.下次用時(shí)，只要將塑料管插入原來位置，下端插入水銀中，上端用小段乳膠管連接注射器可將水銀重新吸入塑料管中，再按上述制作方法從（7）到（10）操作即可.

（3）事實(shí)上為了操作和存放更為方便，長直塑料管可取上、中、下3段分開，用適當(dāng)口徑的乳膠管連接（乳膠管兩端與塑料管連接處要牢固，可用透明膠加固）［圖1（b）］.操作時(shí)可將上端塑料管豎直提起，用支架（與鐵架臺(tái)支桿固定一起）支起來［圖1（c）］.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，由于乳膠管可彎曲存放就更方便了.這樣處理便于攜帶到野外高山上進(jìn)行測試，但仍然存在缺陷：乳膠管易老化，要經(jīng)常換.

（4）本氣壓計(jì)除了直接測量大氣壓外，可用于檢測氣壓與溫度、海拔高度、濕度、空氣運(yùn)動(dòng)或密度等因素的關(guān)系，同時(shí)還可作為真空計(jì)測量真空度.［7］裝置中水銀柱高度的變化（可在塑料管壁上設(shè)置不同高度的開關(guān)由水銀柱控制通斷）以及試管底部水銀對石蠟表面壓力的變化可分別作為譯碼顯示器和壓力傳感器輸入信息，通過傳感器和自動(dòng)顯示得到智能化的氣壓計(jì)（本工作待續(xù)）.［8］

5 評價(jià)及說明

（1）雖然水銀是危險(xiǎn)品，不適于在課堂教學(xué)中使用，但只要使用得當(dāng)，能夠設(shè)計(jì)巧妙辦法避免危險(xiǎn)，還是可以用之于課堂教學(xué)，發(fā)揮托里拆利實(shí)驗(yàn)的教學(xué)引導(dǎo)作用.本設(shè)計(jì)達(dá)到了這一要求，一次完美制作完成后可長期保存，使用安全，不會(huì)出現(xiàn)水銀蒸汽泄漏情況，事實(shí)上也根本不會(huì)產(chǎn)生水銀蒸汽.

（2）本制作使用玻璃管在于取材方便，且不同于一般的簡單制作，制成后可作為專門教學(xué)儀器和常規(guī)大氣壓測量儀器.如果有透明塑料圓筒，直接用塑料筒制作更好（但塑料筒不可用在石棉網(wǎng)上直接加熱，只能水浴加熱熔化石蠟）；使用的塑料管若不方便標(biāo)記高度，可直接用米尺測量.

（3）本制作只能用于測試大氣壓或接近于大氣壓的氣體環(huán)境的氣壓測試，不能用于高溫環(huán)境測試（如100℃以上）.

（4）若是指導(dǎo)學(xué)生制作課外科技作品，制作時(shí)必須有教師現(xiàn)場指導(dǎo).

（5）使用或存放時(shí)避免撞擊裝置以免裝置任何部分破裂.

6 問題展望

目前的氣壓計(jì)基本來自于兩條思路的設(shè)計(jì)，要么用水銀直接借鑒托里拆利實(shí)驗(yàn)得到水銀氣壓計(jì)，要么用真空感應(yīng)采用高精度簧片及彈簧驅(qū)動(dòng)指針轉(zhuǎn)動(dòng)得到無液氣壓計(jì).前者水銀的毒性及水銀柱高度帶來的存放攜帶不便總讓人感覺不足，而后者雖然避開了水銀的使用，解決了大尺度和攜帶方便問題，但測試的精度受所用材料和其他環(huán)境因素的影響，同樣美中不足.因此，基于以上分析如何巧妙避開使用水銀，設(shè)計(jì)出測試準(zhǔn)確、攜帶方便具有傳感、自動(dòng)顯示等功能多樣的新型現(xiàn)代氣壓計(jì)是今后努力的方向.［8］

1 何圣靜.物理實(shí)驗(yàn)手冊（第1版）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989：408－416.

2 段吉輝，徐從蘭，孟昭敏編譯.物理學(xué)演示實(shí)驗(yàn)手冊（第1版）［M］.濟(jì)南：山東教育出版社，1987：149－151.

3 何圣靜，王興乃.物理實(shí)驗(yàn)詞典（第1版）［M］.北京：科學(xué)普及出版社，1991：42.

4 李玉娟，溫月珍.化驗(yàn)工入門（第1版）［M］.杭州：浙江科學(xué)技術(shù)出版社，1993：201，220.

5 張瑞琨.中學(xué)教學(xué)全書·物理卷（第1版）［M］.上海：上海教育出版社，1996：454－455.

6 谷曉艷.自制簡易氣壓計(jì)［J］.科學(xué)大眾（中學(xué)生），2013，04：40－41.

7 徐龍道等.物理學(xué)詞典（第一版）［M］.北京：科學(xué)出版社，2004：95.

8 郁有文，常健，程繼紅.傳感器原理及工程應(yīng)用（第4版）［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2014：120－125.