巧制简易气压计

张泓筠 杨永亮 黄 意 韩伟超

（凯里学院物理和电子工程学院实验中心，贵州 凯里 556011）

1 问题的提出

大气压的测定可以通过托里拆利管，或通过专业气压计（水银气压计或无液气压计）来测定.［1－3］虽然用托里拆利管和水银能够简易直观地显示大气压的存在及其大小，但每次教学时用同样的方法操作一次，难免繁琐，况且水银有毒，每次都要加倍小心，以免弄出意外.［4－5］教学演示大气压的存在和测定大气压目的在于使学生理解，而不完全在于测量.为此，我们结合教学和工程测试需要并借鉴已有简易气压计［6－7］设计了一道简易装置能够准确测定大气压的大小.

2 器材及装置图

25mm×200mm试管及配套双孔橡皮塞，塑料管（7×9mm，长80～90cm，带刻度），铁架台（带铁夹和铁圈），酒精灯，石棉网，水盘，乳胶管（5mm×7mm），直角玻璃弯管（5mm×7mm），透明胶，石蜡，甘油（或硫化钠溶液），大号针头注射器（容量50mL），胶头滴管，泡沫垫，大号缝衣针（直径略大于注射器针头直径），细长钢丝［1000mm左右，一端弯成圆环形（直径略小于塑料管内径）呈燃烧匙状］.装置如图1（a）、（b）和（c）所示.

图1 简易气压计结构

3 制作方法

水银易蒸发、氧化污染环境，使用应注意环保.本文制作用甘油液封隔绝水银与空气接触；制作时应穿好防毒工作服，戴好口罩或面罩并准备硫磺以待急用，操作最好放在稍大点的水盘上进行.如图1（a）所示，具体制作过程如下.

（1）在塑料帽中放满石蜡，然后用镊子夹住将其放入用烧杯装的热水中（温度接近沸水温度），将石蜡熔化；取出置于桌面上，将塑料管套入盖中，石蜡冷却凝固，塑料管端口被石蜡封住，然后轻轻拧动塑料帽将其从塑料管端取出；用粗缝衣针在石蜡上钻一小孔将其打穿以便后面注射水银和甘油所用.

（2）将塑料管和玻璃弯管（弯管角度应大于90°以便甘油能滴入）分别套入双孔橡皮塞中；塑料管口（未封石蜡端）插入深度达到当塞子塞上试管口时能够插入接近底部（距底部约10mm）；并在弯管上套入乳胶管.

（3）在试管中放适量石蜡（能盖住底部），置石棉网上加热（也可用水浴加热）使其平铺瓶底，待石蜡冷却凝固前将上述已套入橡皮塞中的塑料管插入石蜡中约5mm深，然后轻轻拧动塑料管，冷却后将管子取出（不要破坏平整的石蜡面），形成约5mm深石蜡洞.

（4）重新将塞子（连同塑料管和弯管）塞入试管口，塑料管口插入试管底部的石蜡洞中，左右小幅度轻轻拧动塞子并挤压塞紧试管口.

（5）为安全起见，可准备一厚壁（壁厚3～5mm）圆柱形透明塑料圆筒（内径大于玻璃管外径约10mm左右），在塑料筒底部和周边垫上泡沫垫加固试管），将玻璃管嵌入其中（试管内塑料管刻度不要被泡沫挡住），然后将整套装置竖直固定在铁架台上.

（6）用注射器取甘油通过玻璃弯管注入试管中，厚度为h0＝10mm（阻挡水银蒸发并抵消塑料管顶部等厚度甘油产生的压强）.

（7）用注射器取水银沿塑料管内壁注入管中；直至最后10mm用甘油注满，将空气全部排出（注入时尽量慢，以免残留空气，若有空气残留，可插入钢丝上下抽动排除）.

（8）将塑料帽套上塑料管顶拧紧，然后用吸管吸沸水滴塑料帽加热其内石蜡使石蜡柱上层石蜡熔化，冷却凝固后将针孔封住，并用透明胶将塑料帽与管子粘牢.

（9）轻微拧动塑料管并稍往上拉，使其慢慢离开石蜡洞（切勿露出瓶内甘油面，以免水银流出过多导致试管中的甘油或空气窜入塑料管）让管中水银慢慢流出（为控制流出量及流出速度，必要时还要旋紧橡皮塞使管口顶住石蜡洞口，然后再微微松开）；水银流出一定量高出石蜡面若干mm后，旋转橡皮塞控制塑料管口位于水银面下，让水银慢慢流入试管中直至最后稳定不再流出为止，此时对应的水银柱高度即为大气压.进一步旋紧塞子并用石蜡封牢塞子与试管接口周边以及塑料管和玻璃弯管与塞子接口周边（加固装置和密封空气以防蒸汽外泄，特别是水银蒸汽，尽管极其微小）.

（10）将整套装置竖直固定在铁架台上，用止水夹夹住弯管上的乳胶管；不用时可将其从铁架台上取下装入专用的长方形木箱避光、避高温保存.

4 使用方法

（1）使用时装置要放在铁架台上并固定，只要取下乳胶管上的止水夹让试管内空气与外界空气连通即可；读数时大气压对应的位置是水银柱顶端而不是甘油柱上端.

（2）鉴于塑料管较长，不好放置.若是临时教学或其他需要使用一下，可用粗缝衣针将塑料管顶部的石蜡插穿，让空气从上进入将水银放入试管中，然后轻轻拧动塑料管将其从橡皮塞中取出，并做一端部为锥形的小竹棒将小孔堵上.小小塑料筒存放更为方便，可直接放入危险品柜中.下次用时，只要将塑料管插入原来位置，下端插入水银中，上端用小段乳胶管连接注射器可将水银重新吸入塑料管中，再按上述制作方法从（7）到（10）操作即可.

（3）事实上为了操作和存放更为方便，长直塑料管可取上、中、下3段分开，用适当口径的乳胶管连接（乳胶管两端与塑料管连接处要牢固，可用透明胶加固）［图1（b）］.操作时可将上端塑料管竖直提起，用支架（与铁架台支杆固定一起）支起来［图1（c）］.实验结束后，由于乳胶管可弯曲存放就更方便了.这样处理便于携带到野外高山上进行测试，但仍然存在缺陷：乳胶管易老化，要经常换.

（4）本气压计除了直接测量大气压外，可用于检测气压与温度、海拔高度、湿度、空气运动或密度等因素的关系，同时还可作为真空计测量真空度.［7］装置中水银柱高度的变化（可在塑料管壁上设置不同高度的开关由水银柱控制通断）以及试管底部水银对石蜡表面压力的变化可分别作为译码显示器和压力传感器输入信息，通过传感器和自动显示得到智能化的气压计（本工作待续）.［8］

5 评价及说明

（1）虽然水银是危险品，不适于在课堂教学中使用，但只要使用得当，能够设计巧妙办法避免危险，还是可以用之于课堂教学，发挥托里拆利实验的教学引导作用.本设计达到了这一要求，一次完美制作完成后可长期保存，使用安全，不会出现水银蒸汽泄漏情况，事实上也根本不会产生水银蒸汽.

（2）本制作使用玻璃管在于取材方便，且不同于一般的简单制作，制成后可作为专门教学仪器和常规大气压测量仪器.如果有透明塑料圆筒，直接用塑料筒制作更好（但塑料筒不可用在石棉网上直接加热，只能水浴加热熔化石蜡）；使用的塑料管若不方便标记高度，可直接用米尺测量.

（3）本制作只能用于测试大气压或接近于大气压的气体环境的气压测试，不能用于高温环境测试（如100℃以上）.

（4）若是指导学生制作课外科技作品，制作时必须有教师现场指导.

（5）使用或存放时避免撞击装置以免装置任何部分破裂.

6 问题展望

目前的气压计基本来自于两条思路的设计，要么用水银直接借鉴托里拆利实验得到水银气压计，要么用真空感应采用高精度簧片及弹簧驱动指针转动得到无液气压计.前者水银的毒性及水银柱高度带来的存放携带不便总让人感觉不足，而后者虽然避开了水银的使用，解决了大尺度和携带方便问题，但测试的精度受所用材料和其他环境因素的影响，同样美中不足.因此，基于以上分析如何巧妙避开使用水银，设计出测试准确、携带方便具有传感、自动显示等功能多样的新型现代气压计是今后努力的方向.［8］

1 何圣静.物理实验手册（第1版）［M］.北京：机械工业出版社，1989：408－416.

2 段吉辉，徐从兰，孟昭敏编译.物理学演示实验手册（第1版）［M］.济南：山东教育出版社，1987：149－151.

3 何圣静，王兴乃.物理实验词典（第1版）［M］.北京：科学普及出版社，1991：42.

4 李玉娟，温月珍.化验工入门（第1版）［M］.杭州：浙江科学技术出版社，1993：201，220.

5 张瑞琨.中学教学全书·物理卷（第1版）［M］.上海：上海教育出版社，1996：454－455.

6 谷晓艳.自制简易气压计［J］.科学大众（中学生），2013，04：40－41.

7 徐龙道等.物理学词典（第一版）［M］.北京：科学出版社，2004：95.

8 郁有文，常健，程继红.传感器原理及工程应用（第4版）［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2014：120－125.