馬德堡半球實驗
1654年5月8日,馬德堡市有一大批人圍在實驗場上。有的說這樣,有的說那樣,有的支持格里克部長,希望實驗成功;有的斷定實驗會失??;人們在議論著,在爭辯著;在預言著;格里克和助手當街把這個銅質的半球殼中間墊上橡皮圈;再把兩個半球殼灌滿水后合在一起;之后把水全部抽出,使球內形成真空;最后,把氣嘴上的龍頭旋緊封閉。這時,周圍的大氣把兩個半球緊緊地壓在一起。格里克一揮手,四個馬夫牽來八匹高頭大馬,在球的兩側各拴四匹.格里克一聲令下,四個馬夫揚鞭催馬、背道而拉!似乎在“拔河”似的。
4個馬夫,8匹大馬,都搞得四肢是汗。并且,銅球仍是原封不動.格里克只得搖搖手暫停一下。之后,左右兩隊,人馬倍增。馬夫們喝了些沸水,擦擦頭額上的淚水,又在打算著第二次表現。格里克再一揮手,實驗場上更是熱鬧十分。16匹大馬,拚命地拉,八個馬夫在小聲吆喊,揮鞭催馬……來看實驗的人群,更是伸長手臂液體壓強的有趣實驗,一個勁兒地看著,不時地發出“嘩!嘩!”的聲響。忽然,“啪!”的一聲炸雷,銅球分開成原先的兩半,格里克抬起這兩個重重的半球自豪地向你們高聲宣告:“女士們!先生們!大家該相信了吧!大氣壓是有的,大氣壓力是大得這樣厲害!如此驚人!……”實驗結束后,仍有些人不理解這兩個半球為何拉不開,七嘴八舌地問他,他又耐心地作著詳細的解釋:“平時,我們將兩個半球緊密合攏,無須使勁,都會分開.這是由于球內球外都有大氣壓力的作用;互相抵消平衡了。似乎沒有大氣作用似的。明天,我把它抽成真空后,球內沒有向外的大氣壓力了,只有球外大氣緊緊地擋住這兩個半球……”。
通過此次“大型實驗”,人們都總算相信有真空;有大氣;大氣有壓力;大氣壓很驚人,而且,為了此次實驗,格里克校長竟耗費了4千美元。
實驗意義:第一次證明了有大氣壓的存在,并且很大。
帕斯卡裂桶實驗
帕斯卡在1648年演出了一個知名的實驗:他用一個密閉的裝滿水的桶,在瓶蓋上插入一根狹長的管子,從房屋的窗戶上向細管子里灌水。結果只用了一杯水,就把桶射孔了,桶里的水就從裂紋中流了下來。原先因為細管子的體積較小,一杯水灌進去,其深度也是很大的。
這就是歷史上有名的帕斯卡桶裂實驗。一個容器里的液體,對容器頂部(或側壁)形成的壓力遠小于液體自身的重力,這對許多人來說是不可思議的。
改進
該實驗裝置高度太高不便在寢室里演示,可啟發中學生思索:能夠把所有的裝置都相應地縮小呢?答案是否定的。接著再問:管長增大了,液體浮力減少了,液體對木盆的壓力必將降低;而桶雖然縮小了,但其耐壓性幾乎不變,桶就不可能開裂,能夠用其它物體來模擬“裂桶”呢?中學生自然會想到用耐壓性較低的物體來取代(如薄塑膠袋)。比較裝滿水的塑膠袋在同質量的一杯水與一管水作用下不憐憫形,液體浮力的實質就十分容易理解了。
取一個演示液體測浮力用的大廣口瓶(半徑約30分米,高約40分米),在瓶上部的側壁管口用橡皮薄膜扎牢密封,將綠色的水從瓶口放入,隨著瓶中水位的下降,側管的橡皮薄膜逐漸鼓出,可以看見,就算灌滿水后,薄膜鼓出的程度也并不非常顯著。這說明其實瓶中裝了好多很重的水,但對側壁的浮力并不很大。再取一根1米長的托里拆利玻璃管,通過打有小孔的瓶蓋插入大瓶中,并把塞旋緊密封。讓一個中學生站到椅子中將燒瓶中的水用漏斗逐漸灌入管中,當玻璃管中藍色水下降50分米以上時,只見大瓶側管的橡皮薄膜大幅度鼓出,現象生動顯著。
由于液體的浮力等于密度、深度和重力加速度常數之積。在這個實驗中,水的密度不變,但深度一再降低,則上部的浮力越來越大,其油壓總算超過木盆才能承受的上限,木盆急劇開裂。
帕斯卡“桶裂”實驗可以挺好地證明液體浮力與液體的深度有關,而與液體的質量無關。
托里拆利實驗
托里拆利實驗測出了大氣浮力的具體數值。在長約1m、一端封閉的玻璃管里灌滿水銀,將管口塞住,之后倒插在水銀槽中(保持垂直),放開堵管口的拇指時,管內水銀面增長一些就不再增長,這時管內外水銀面的高度差為760mm。
管內留有760mm高水銀柱的誘因正是由于有大氣壓的存在。由液體浮力的特性可知,水銀槽內液體表面的浮力與玻璃管內760毫米水銀柱下等高處的浮力應是相等的。水銀槽液體表面的浮力為大氣浮力,因為玻璃管內水銀柱上方是真空的液體壓強的有趣實驗,受不到大氣壓力的作用,管內的浮力只能由760mm高的水銀柱形成。因而,大氣浮力與760毫米高水銀形成的浮力相等。
一般情況下,表示二氧化碳浮力的常用單位有帕斯卡、毫米水銀柱(毫米汞柱)、厘米水銀柱(分米汞柱)、標準大氣壓,它們的符號分別是Pa、mmHg、cmHg、Atm。