馬德堡半球?qū)嶒?yàn)
1654年5月8日,馬德堡市有一大批人圍在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)上。有的說這樣,有的說那樣,有的支持格里克部長(zhǎng),希望實(shí)驗(yàn)成功;有的斷定實(shí)驗(yàn)會(huì)失??;人們?cè)谧h論著,在爭(zhēng)辯著;在預(yù)言著;格里克和助手當(dāng)街把這個(gè)銅質(zhì)的半球殼中間墊上橡皮圈;再把兩個(gè)半球殼灌滿水后合在一起;之后把水全部抽出,使球內(nèi)形成真空;最后,把氣嘴上的龍頭旋緊封閉。這時(shí),周圍的大氣把兩個(gè)半球緊緊地壓在一起。格里克一揮手,四個(gè)馬夫牽來八匹高頭大馬,在球的兩側(cè)各拴四匹.格里克一聲令下,四個(gè)馬夫揚(yáng)鞭催馬、背道而拉!似乎在“拔河”似的。
4個(gè)馬夫,8匹大馬,都搞得四肢是汗。并且,銅球仍是原封不動(dòng).格里克只得搖搖手暫停一下。之后,左右兩隊(duì),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(xiàn)。格里克再一揮手,實(shí)驗(yàn)場(chǎng)上更是熱鬧十分。16匹大馬,拚命地拉,八個(gè)馬夫在小聲吆喊,揮鞭催馬……來看實(shí)驗(yàn)的人群,更是伸長(zhǎng)手臂液體壓強(qiáng)的有趣實(shí)驗(yàn),一個(gè)勁兒地看著,不時(shí)地發(fā)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(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)束后,仍有些人不理解這兩個(gè)半球?yàn)楹卫婚_,七嘴八舌地問他,他又耐心地作著詳細(xì)的解釋:“平時(shí),我們將兩個(gè)半球緊密合攏,無須使勁,都會(huì)分開.這是由于球內(nèi)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(nèi)沒有向外的大氣壓力了,只有球外大氣緊緊地?fù)踝∵@兩個(gè)半球……”。
通過此次“大型實(shí)驗(yàn)”,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(shí)驗(yàn),格里克校長(zhǎng)竟耗費(fèi)了4千美元。
實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)
帕斯卡在1648年演出了一個(gè)知名的實(shí)驗(yàn):他用一個(gè)密閉的裝滿水的桶,在瓶蓋上插入一根狹長(zhǎng)的管子,從房屋的窗戶上向細(xì)管子里灌水。結(jié)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?yàn)榧?xì)管子的體積較小,一杯水灌進(jìn)去,其深度也是很大的。
這就是歷史上有名的帕斯卡桶裂實(shí)驗(yàn)。一個(gè)容器里的液體,對(duì)容器頂部(或側(cè)壁)形成的壓力遠(yuǎn)小于液體自身的重力,這對(duì)許多人來說是不可思議的。
改進(jìn)
該實(shí)驗(yàn)裝置高度太高不便在寢室里演示,可啟發(fā)中學(xué)生思索:能夠把所有的裝置都相應(yīng)地縮小呢?答案是否定的。接著再問:管長(zhǎng)增大了,液體浮力減少了,液體對(duì)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(xué)生自然會(huì)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(zhì)量的一杯水與一管水作用下不憐憫形,液體浮力的實(shí)質(zhì)就十分容易理解了。
取一個(gè)演示液體測(cè)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(cè)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(cè)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(shí)瓶中裝了好多很重的水,但對(duì)側(cè)壁的浮力并不很大。再取一根1米長(zhǎng)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(gè)中學(xué)生站到椅子中將燒瓶中的水用漏斗逐漸灌入管中,當(dāng)玻璃管中藍(lán)色水下降50分米以上時(shí),只見大瓶側(cè)管的橡皮薄膜大幅度鼓出,現(xiàn)象生動(dòng)顯著。
由于液體的浮力等于密度、深度和重力加速度常數(shù)之積。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)可以挺好地證明液體浮力與液體的深度有關(guān),而與液體的質(zhì)量無關(guān)。
托里拆利實(shí)驗(yàn)
托里拆利實(shí)驗(yàn)測(cè)出了大氣浮力的具體數(shù)值。在長(zhǎng)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(shí),管內(nèi)水銀面增長(zhǎng)一些就不再增長(zhǎng),這時(shí)管內(nèi)外水銀面的高度差為760mm。
管內(nèi)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(nèi)液體表面的浮力與玻璃管內(nèi)760毫米水銀柱下等高處的浮力應(yīng)是相等的。水銀槽液體表面的浮力為大氣浮力,因?yàn)椴AЧ軆?nèi)水銀柱上方是真空的液體壓強(qiáng)的有趣實(shí)驗(yàn),受不到大氣壓力的作用,管內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)大氣壓,它們的符號(hào)分別是Pa、mmHg、cmHg、Atm。