一个耐人寻味的大气压强实验_力学平衡原理

论文导读:：三百多年来，关于托里拆利管内水银柱的成因问题，一直认为是管外大气压强作用所致，然而，密闭气体水下的压缩实验告诉我们：把水银柱高当作气体的压强，可能是错误的。当然，究竟是与否？还需要今后大量的实验研究。本文在此抛砖引玉，希望能引起广大物理学工作者对此问题的重视。
论文关键词：托里拆利实验，大气压强，玻意耳定律，力学平衡原理
 

１、引言

一提起大气压强，人们自然就会想到著名的托里拆利实验和马德堡半球实验。这二个实验传递给了我们这样的信息：大气压强不仅存在而且相当之大。笔者虽不敢否定这样的结论，但总不能消除对大气压强问题的疑虑。比如：当一个人不小心将手指划破，血自然会从人体上流出。我们知道人体的正常血压一般在120mmHg左右,而外界大气的压强大约在760mmHg，血怎么会流出来呢？难道760mmHg不是大气的压强？带着这样的疑问，笔者首先想从理论上探个究竟，然后通过一百多次水下压缩实验来加以阐述论文提纲怎么写。

２、理论分析

设在水下H米深的地方，用托里拆利实验方法测得管内水银柱的高为y₁力学平衡原理，在水面上测得管内水银柱的高为y₂，由于测定y₁相当于在测定y₂的基础上，给水银槽液面增加一个大小ρgH的压强，且测定y₁和y₂时管外的气体状态是相同的，所以，ρ₀gy₁=ρ₀gy₂+ρgH（其中ρ₀为水银的密度，ρ为水的密度）。接着再来研究相同大气环境下筒内气体的情况，上端封闭下端开口的筒内，放入了托里拆利实验装置，将它们慢慢竖直放到水中，直到筒内外水柱深度达

图1 测定筒内气体水银柱高示意图

到H米为止，如图1所示，测得筒内气体水银柱的高为y₃，因为筒外水柱的高度为H，按照托里拆利实验测出的水银柱高就是管外气体压强来推断，理论上应该得出这样的结果：y₃＝y₁力学平衡原理，即ρ₀gy₃＝ρ₀gy₂+ρgH。但由于测定y₃和y_１时管外气体的密度是完全不同的，所以从理论上讲，应该得出另外一种结果：y_３≠y_１。究竟孰是孰非？只有通过实验才能得到证实。

３、实验验证

将一个上端封闭的圆柱形玻璃管慢慢地竖直插到另一个充满水的圆柱形玻璃管底部。已知空玻璃管管内的长度是1997mm，外面的玻璃管管内的长度是3994mm，只要测得进入空玻璃管内水的高度h，根据筒内气体的压强等于外界大气压与水柱压强之和，以及玻意耳定律，就可计算出外界大气压强的值。计算公式为：p₀ =（3994- h）×（1997- h）÷（13.6h）

（p₀和h的单位分别为mmHg和mm）

下面是在不同日期和时间测得进入管内水的高度实测值与理论值的对照表（其中，h₁为理论值，h₂为实测值; p₀为苏州市气象局政务网站整点提供的实时值）

表一：不同日期不同时间实测值与理论值对照表

从近半年来测得的这些实验数据，我们不难发现，（h₂–h₁）的差值是比较大的，下面来分析造成这么大差值的原因。首先这不可能是由测量的误差造成的，因为实验用的刻度尺是毫米刻度尺；其次，公式的推导也不存在问题。玻意耳定律是一个实验定律，管内气体压强等于管外气体压强与水柱压强之和力学平衡原理，符合力学平衡原理，由此得出的压强公式p₀ =（3994 - h）×（1997 - h）÷（13.6h），按理应该没有问题。那么真正的问题究竟出在什么地方呢？从上述公式我们不难得出这样一个推论：h和p₀应是一一对应的关系论文提纲怎么写。因为知道了大气的压强p₀，就可计算出h的二个解，其中只有一个符合条件，另一个解超过了管子的长度。但实验事实却完全出乎人们的意料：同一个h可以对应着不同的p₀，并且它们之间的差值还是相当大的。例如，当h₂ = 507 mm时，p₀可以是764mmHg，也可以是773 mmHg；当h₂ = 518 mm时，p₀可以是752 mmHg，也可以是761 mmHg。因为水柱的压强是实实在在的压强，难免会使人猜测，公式p=p₀+ρgH中的p₀和p，会不会不是气体的压强？当然仅就上面这些数据就想妄自下结论，为时过早。但有一点是耐人寻味的力学平衡原理，那就是：如果p₀相同，只要大气的密度不同，用上述实验方法测出来的h值绝不相同。

４　结束语

既然认为托里拆利实验测出的水银柱高可能不是管外气体的压强，那么水银柱高代表什么物理意义呢？笔者从量纲角度分析，1N/m²＝1J/m³，p₀会不会代表的是气体的能量密度？p₁V₁=p₂V₂,又会不会是能量守恒定律的另一种表达形式？当然，这些问题还有待于今后作大量的深层次探讨。