盡管直觀驗(yàn)證并測(cè)定大氣壓強(qiáng)的托里拆利實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在中學(xué)物理教材上存在了很久，但由于這個(gè)實(shí)驗(yàn)本身的危險(xiǎn)性較大，基本上沒有任課教師會(huì)選擇在課堂上帶領(lǐng)學(xué)生去重做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。在本文中，我們通過設(shè)計(jì)一種新型的實(shí)驗(yàn)裝置去重現(xiàn)了托里拆利實(shí)驗(yàn)，該裝置能夠極大地降低經(jīng)典托里拆利實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性，以便任課教師能在課堂上完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)。

引言：

大氣壓強(qiáng)是空氣作用在單位面積上的壓力，在數(shù)值上等于單位面積上向上延伸到大氣上界的垂直空氣柱所受到的重力。如今，中學(xué)的物理教材基本都包含有經(jīng)典的托里拆利實(shí)驗(yàn)，如圖1，因?yàn)樗軌蛑庇^地展示大氣壓強(qiáng)的存在以及其大小。但是，由于該實(shí)驗(yàn)本身屬性的原因，大部分教師無法在物理課堂上帶領(lǐng)學(xué)生去做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。首先，托里拆利實(shí)驗(yàn)會(huì)用到大量水銀，而水銀具有毒性。對(duì)于傳統(tǒng)的托里拆利實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)人員都會(huì)不可避免地直接接觸到大量水銀，極大地危害了他們的健康。其次，由于大量水銀盛放在開口寬闊的玻璃槽中，水銀的蒸發(fā)會(huì)還會(huì)危害到觀看演示實(shí)驗(yàn)的同學(xué)的健康，同時(shí)還會(huì)引起環(huán)境污染問題。最后，該實(shí)驗(yàn)用到的水銀量較大，浪費(fèi)比較嚴(yán)重，大量水銀在實(shí)驗(yàn)后的存儲(chǔ)和處理也是比較麻煩的問題。正因?yàn)檫@些原因，一般課堂上，任課教師只能通過播放視頻來演示托里拆利實(shí)驗(yàn)。但是，這種方式?jīng)]有直接演示實(shí)驗(yàn)給學(xué)生的代入感強(qiáng)，對(duì)于初學(xué)物理不久的中學(xué)生來講也是一種遺憾。我們認(rèn)為這是中學(xué)物理課堂上一個(gè)比較嚴(yán)峻的問題，因?yàn)樗沟脤W(xué)習(xí)一門基于實(shí)驗(yàn)的學(xué)科的學(xué)生不能以一種清晰直觀的方式去理解大氣壓強(qiáng)。

因此，為了使得中學(xué)物理教師能有機(jī)會(huì)在中學(xué)生課堂上直觀地演示托里拆利實(shí)驗(yàn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新的實(shí)驗(yàn)裝置作為改進(jìn)的托里拆利實(shí)驗(yàn)。通過一個(gè)特殊的密封容器，我們可以減少水銀使用并且極大地減少水銀和空氣的接觸面積，同時(shí)實(shí)驗(yàn)人員也避免了和水銀的直接接觸，使實(shí)驗(yàn)的安全性得到了極大的保障。

改進(jìn)的托里拆利實(shí)驗(yàn)裝置：

現(xiàn)在已經(jīng)有一些流行的方式去重做托里拆利實(shí)驗(yàn)，例如用水代替水銀，或者設(shè)計(jì)一個(gè)新的容器和實(shí)驗(yàn)方法。根據(jù)公式 ，如果我們用水代替水銀，完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)就需要大約10.3米高的水柱和管子。先不考慮找到合適的管子的困難性，一個(gè)普通中學(xué)的實(shí)驗(yàn)室也無法提供所需要的環(huán)境。除此之外，有些人也打算通過按比例減少水的使用和管子的大小，再通過計(jì)算去得出最終的數(shù)據(jù)。但考慮到實(shí)驗(yàn)人員會(huì)是中學(xué)生，這是他們第一次接觸大氣壓強(qiáng)，所以我們認(rèn)為重做的托里拆利實(shí)驗(yàn)不能這么復(fù)雜，它應(yīng)該能很直接的給出結(jié)果。當(dāng)然，也有人曾嘗試去發(fā)明一個(gè)新的容器，但我們發(fā)現(xiàn)他們的這些方法也太過復(fù)雜或仍然還有危害。

考慮到安全問題，我們這里設(shè)計(jì)使用一個(gè)封閉的容器去減少水銀蒸發(fā)，并且通過一個(gè)可以拔插的塞子控制水銀和空氣的接觸。在減少蒸發(fā)的基礎(chǔ)上，我們把經(jīng)典托里拆利實(shí)驗(yàn)中的兩個(gè)容器做成一個(gè)整體從而確保密封性，以使得實(shí)驗(yàn)人員不會(huì)直接和水銀接觸，如圖3所示。

在經(jīng)典的托里拆利實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)人員通過翻轉(zhuǎn)一個(gè)裝滿水銀的管子制造真空。當(dāng)水銀因?yàn)橹亓ο侣鋾r(shí)，管子頂部會(huì)形成真空，并且水銀會(huì)在一定高度停止下降。為了重現(xiàn)一個(gè)和經(jīng)典托里拆利實(shí)驗(yàn)同樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們對(duì)重新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置按照以下步驟依次操作：1. 把容器底部的瓶子裝入一定量的水銀;2. 緩慢地翻轉(zhuǎn)容器使得瓶子里的水銀緩緩流入玻璃管中;3. 再次翻轉(zhuǎn)容器。在最后一次翻轉(zhuǎn)過程中，我們用了和托里拆利相似的方法在玻璃管頂部制造了一個(gè)真空區(qū)，但是過程中完全避免了實(shí)驗(yàn)人員和水銀的直接接觸。

當(dāng)整個(gè)容器最終處于平衡狀態(tài)時(shí)，管子里的汞柱會(huì)呈現(xiàn)出和經(jīng)典托里拆利實(shí)驗(yàn)一樣的性質(zhì)：汞柱的垂直高度不會(huì)因?yàn)槿萜鞯膬A斜而改變。為了方便測(cè)量，我們把一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)并且伸縮的尺子固定在容器的頂部，如圖4。這樣，無論容器怎樣傾斜，尺子始終垂直于水平面，從而更方便的去測(cè)量汞柱的高度。

測(cè)試與實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

因?yàn)閷?shí)驗(yàn)儀器的限制，我們無法購買到水銀去測(cè)試我們的方法，所以我們將用水代替水銀去測(cè)設(shè)儀器的可行性（注意僅僅是可行性）。同時(shí)，我們是用的容器也是手工制作的，所以，我們暫時(shí)無法還原一個(gè)精確的實(shí)驗(yàn)。我們將會(huì)使用到以下器材：1. 一個(gè)1m長，容積為60ml的管子; 2. 一個(gè)容積為125ml的廣口瓶。通過計(jì)算，廣口瓶和管子的容積之比為 。所以為了確保管子的底部在平衡狀態(tài)時(shí)始終沒入廣口瓶內(nèi)的水，我們大致需要兩倍于管子容積的水，如圖5和圖6所示。理論上，當(dāng)我們進(jìn)行完所有步驟后，水柱的高度不會(huì)下降。并且，如果水柱高度有下降，下降之后無論我們?nèi)绾蝺A斜容器，水柱的垂直高度并不會(huì)改變。

在我們的測(cè)試當(dāng)中，水柱高度有了明顯的下降。這是因?yàn)槲覀兊娜萜鳑]有很好的密封性，所以當(dāng)我們進(jìn)行步驟3時(shí)無法制造完美的真空。我們認(rèn)為這是可以接受的誤差因?yàn)闇y(cè)試的主要目的是確認(rèn)裝置的可行性。如圖7所示，無論我們?cè)趺磧A斜容器，水柱的垂直高度一直沒有變化，這符合我們的預(yù)期。所以，如果當(dāng)我們使用更加完美的容器并且用回水銀，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果會(huì)和經(jīng)典托里拆利實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，只有一小部分水因?yàn)槊芊鈫栴}漏了出來，但如果使用的是密封性良好的容器，就不會(huì)出現(xiàn)漏水。所以，水銀泄漏的問題也很好的被解決了。

總結(jié)與討論

通過測(cè)試，我們證實(shí)了用一個(gè)由長玻璃管和廣口玻璃瓶組成的改進(jìn)裝置重復(fù)托里拆利實(shí)驗(yàn)的可行性。并且我們裝置的安全性有極大的保證，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)和可操作性。因此，中學(xué)物理教師可以采用我們的裝置在課堂上演示托里拆利實(shí)驗(yàn)，這會(huì)使老師和學(xué)生同時(shí)受益。當(dāng)然，除了托里拆利實(shí)驗(yàn)，中學(xué)課本中還存在著很多其他具有隱患的實(shí)驗(yàn)，這些危害也需要被解決。

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作者簡介：王靖凱（2002.12-），男，漢族，廣東深圳人，高中二年級(jí)，學(xué)生;研究方向：物理、物理教育。