巧测大气压强

张雯婷

【摘 要】根据课本我们知道，一个标准大气压的值是101.325KPa。本文介绍如何使用一个塑料吸盘挂钩，一个5N的弹簧测力计，通过数学方法和物理公式来测量当地大气压强的近似值。分析该方法的可行性，并与其他测量大气压强值的方法相比，讨论该方法的优点及不足。

【关键词】大气压强；弹簧秤；杠杆原理

0 引言

随着人们对大气压强研究的不断深入，大气压强的相关问题在许多领域得到应用，如大气压强传感器在海拔高度测量中的应用等。我们根据所学知晓大气对浸在它里面的物体产生的压强叫大气压强，简称大气压或气压。1654年格里克在德国马德堡作了著名的马德堡半球实验，有力的证明了大气压强的存在，这让人们对大气压有了深刻的认识，但大气压到底有多大人们还不清楚。1643年意大利科学家托里拆利在一根1米长的细玻璃管中注满水银倒置在盛有水银的水槽中，发现玻璃管中的水银大约下降到76厘米高度后就不再下降了。这76厘米刻度之上的空间无空气进入，是真空。托里拆利据此推断大气的压强就等于水银柱产生的压强，这就是著名的托里拆利实验。 [1]今天，我们可以通过一些简单的实验器材、杠杆原理和压强公式来测量当地的大气压强。

1 实验装置设计

实验装置由一个塑料吸盘挂钩、一根直杆、一个着力点、两条带钩的绳子、一块玻璃和一个5N的弹簧测力计等构成。一根绳子一端勾住塑料吸盘，一端固定在直杆的一端记为A，另一根绳子一端勾住弹簧测力计，一端固定在直杆的另一端记为B，着力点记为O。将塑料吸盘内的空气排尽（可适当蘸水），固定在玻璃上。如图1所示。

2 实验原理

计算好连接塑料挂钩端到着力点OA段的距离L1和连接弹簧测力计端到着力点OB段的长度L2，使B处受到的力在弹簧测力计的测量范围内。接着，将蘸水的塑料挂钩的吸盘放在光滑水平板上，挤出里面的空气，按图1所示，用弹簧测力计钩着挂钩缓慢往下拉，直到吸盘脱离板面，测出此时弹簧测力计的读数为F2，根据杠杆原理的公式可以得到吸盘处受到的力F：

因为当吸盘恰好脱离桌面时，对吸盘的拉力与大气对吸盘的压力正好是一对平衡力，所以此时算出的F就是大气对吸盘的压力。同时，通过资料对当地大气压进行估测，利用杠杆原理，构造省力杠杆，使得测量值在弹簧测力计的测量范围内，所以该方法可行。

2.1 杠杆原理

古希腊科学家阿基米德有这样一句流传很久的名言：“给我一个支点，我就能撬起整个地球！”这句话便是说杠杆原理。阿基米德在《论平面图形的平衡》一书中最早提出了杠杆原理。他首先把杠杆实际应用中的一些经验知识当作“不证自明的公理”，然后从这些公理出发，运用几何学通过严密的逻辑论证，得出了杠杆原理，即“二重物平衡时，它们离支点的距离与重量成反比。”

3 实验步骤与结果

3.1 实验步骤

1）利用游标卡尺重复多次实验，读出塑料吸盘挂钩的直径D；

2）缓慢拉动弹簧测力计，读出当吸盘脱离玻璃时的拉力读数记为F；

3）利用数据分析得到当地的大气压强。

3.2 实验结果

实验测得的数据如表1所示，其中塑料吸盘的面积S=（7.065±0.006）×10-4m，端点到着力点的长度OA=3cm，OB=70cm，环境温度t=25℃。

查找资料发现，据杭州市气象台观测站1961～1980年记录，杭州市区的多年平均气压为1011.6百帕，二者基本符合。

4 优缺点分析

4.1 优点

1）和水银测大气压相比，用这种方法测量大气压强安全无污染，没有危险，可以在课堂上演示实验。水银是在常温、常压下唯一以液态存在的金属。熔点-38.87℃，沸点356.6℃，密度13.59克/立方厘米。内聚力很强，在空气中稳定，常温下蒸发出汞蒸气，蒸气有剧毒。微量的液体汞吞食一般是无毒的（有资料称它在生物体内会形成有机化合物），但汞蒸气和汞盐（除了一些溶解度极小的如硫化汞）都是剧毒的，口服、吸入或接触后可以导致脑和肝损伤。汞可以在生物体内积累，很容易被皮肤以及呼吸道和消化道吸收。水俣病是汞中毒的一种。汞破坏中枢神经系统，对口、粘膜和牙齿有不良影响。长时间暴露在高汞环境中可以导致脑损伤和死亡。尽管汞沸点很高，但在室内温度下饱和的汞蒸气已经达到了中毒剂量的数倍。 [2]

2）与压力表相比，该方法使用的道具在生活中容易找到，成本较低。

3）该实验使用到杠杆原理，灵活运用了原有的知识。

4.2 缺点

1）误差较大。因为测量吸盘的直径存在误差，OA和OB段长度的测量存在误差，弹簧测力计的测量存在误差，所以该方法测得的大气压强不够准确，只是一个近似值。

5 结语

在大气压强的测量中，有许多因素将会对结果产生影响，例如温度、海拔高度等。本实验只能得到当地大气压强的近似值，但实验工具易得，实验方法简单，能够在课堂演示，可以激发学生对科学的兴趣。通过本次物理实验，加深了我对大气压强、杠杆原理以及读数的认识，为今后进一步学习实验操作、科学原理打下了良好的基础。

【参考文献】

[1]百度百科.大气压.http：//baike.baidu.com/view/84982.htm？fr=wordsearch[OL].

[2]百度百科.汞.http：//baike.baidu.com/view/26371.htm？fromId=30596&fr=wordsearch#5[OL].

[责任编辑：杨玉洁]