“托里拆利实验”的再探讨—用水测定大气压强

测定大气压强的实验是中学物理教学中最令人头痛的演示实验之一。如何才能使“托里拆利实验”能够真正地走进课堂?这一直是广大物理教师费心探讨的问题之一。
　　
　　托里拆利第一次测出大气压的数值以来，人们一直不断地探索：如何改进托里拆利实验?帕斯卡曾用13.8米长的玻璃管和红葡萄酒做了该实验，因为试管太长，不仅试管难找而且操作很困难，所以很少有人再重做。对于该实验，因为水银的密度大，因此人们仍然利用水银做实验，并不断地改进实验装置，刘炳升先生曾在这个方面作了大量的工作。因为水银有剧毒，课堂上演示有一定的困难和风险，中学教师大多只能“讲实验”。
　　
　　鉴于上述原因，教师们可以另辟蹊径，考虑用水做这个实验。该实验采用的试管必备的条件：一是透明，二是抗压。合适的试管是实验成功的前提条件，正确的实验方法是实验成功的保障。下面就用水做的大气压强测定实验，所采用的实验器材、实验方法及实验时应该注意的问题进行探讨。
　　
　　1实验器材
　　
　　①12米长的塑胶网管一条(Φ2cm)；②塑料水笼头两个(Φ1.5cm)；③生料带两卷；④一把卷尺或测量绳(量程20m)；⑤水盆、饮料瓶(各一个)。
　　
　　2器材分析
　　
　　该实验装置和原托里拆利实验装置有些不同，后者采用一端开口的试管，不存在密封的问题；而前者用两端都开口的塑胶网管和两个水笼头，因此除了直接关闭水笼头密封之外，还有网管和水笼头间的密封，采用的方法是水管管道密封法(就是用生料带缠绕在水笼头的螺旋丝口上，然后再安装到塑料网管两端，从而达到密封的目的)。使用水笼头还有一个好处就是有利于二次注水。
　　
　　3过程及方法
　　
　　由于实验时要把管子架到十米多高的地方，因此需要一个观察和实验的平台。本实验选择三楼阳台(如图1)或是其它有护栏的楼道作为观察和实验平台(要事先检查并向学生强调安全保障)。
　　

　　实验大体是分为五步：第一步，把塑胶网管和水笼头组装起来；第二步在地面或在图1实验平台上进行第一次注水。其方法是先把管子两端的水笼头同时打开向塑胶网管内注水，当管内没有气柱时关闭水笼头；第三步，竖起试管并进行第二次注水。将注满水的管子一端从实验平台上慢慢地放到楼下(若在地面上进行注水，就应该用绳子把注满水的管子上端拉上实验平台)，把管子上端固定在实验平台的栏杆上，使下端水笼头刚好浸没在下面的水盆中，使整个管子呈竖直状态。由于管子的主体是塑胶做的，在把管子竖起时，水压就使管子下端胀大，水位下降；于是就在管子上端出现一段无水空腔，但它里面并非是真空的；又由于管子上端的压强较小，水中的空气就会溢出跑到管子顶端，形成一段空气柱，这段空气柱产生的压强会影响水柱的高度，为了减小这种现象造成的影响，这时就要进行第二次注水。等到只有很少的气泡冒出时，然后打开顶端的水笼头，再慢慢地向试管内注水，注满水后重新关闭上端水笼头。第四步，慢慢地打开浸没在水盆中的水笼头，待管子上端水面稳定以后，读出水柱的高度值并记录数据；最后整理实验器材。
　　
　　4误差分析
　　
　　用水做托里拆利实验产生的误差主要来自水中溶解的空气及管子上端的水蒸汽。虽然空气大部分可以通过二次的注水方法进行排除，但是二次注水后再次溢出的空气则无法排除，它在一定程度上还会影响实验结果。对于试管上端的水蒸汽也不容忽视，它也是造成实验结果无法达到理论高度的主要原因之一。也许有人要问，在用水银做这个实验时，为什么没有考虑这些问题呢?由于空气不溶于水银，无需考虑这种原因；再者水银是液态的金属密度很大，在水银柱上方形成的水银蒸汽压相当小可以忽略不计]，可视水银柱上方为真空；而对于水则不然，在实验过程中，由于无法确保试管上方始终是真空状态，所以一般的情况下，测出一个标准大气压只能支撑约1O.1米高的水柱(如图2所示)。
　　

　　虽然本实验采用了二次注水的方法，大大地减小了实验误差，但是在试验时并不能够排除上述原因造成的影响，所以实验结果很难达到理想高度。综上所述，本实验装置在实验器材、密封及实验方法上，都遵循经济、有效、简单安全的原则。所以可以用该实验装置做测定大气压强的演示实验，也可以用于中学生测定大气压强的探究活动，这使“托里拆利实验”真正的进入中学课堂成为现实。为了进一步提高实验的精度，还有待于广大物理教师与同学们在教学和学习过程中对实验仪器和实验方法做进一步改进。