托里拆利实验的改进

王祥委，段娟娟，彭朝阳

(云南师范大学 物理与电子信息学院，云南 昆明 650500)



托里拆利实验的改进

王祥委，段娟娟，彭朝阳

(云南师范大学 物理与电子信息学院，云南 昆明 650500)

对传统的托里拆力实验进行了改进，用输液管代替玻璃管，避免了玻璃管易损造成的危害，通过注射器改变密闭水银中的气压，较大程度地避免了接触水银的危害，同时，用含硫的海绵减弱装置中的空气流速，有效地减缓了水银的挥发，并利用硫的强还原性控制银与空气的接触，减弱水银对环境的危害，通过观察水银柱的变化得出结论.

托里拆利实验；水银；注射器

1 问题的提出

地球被厚厚的大气层包围着，因此，地面上的大气压就“无处不在”. 但人们却感知不到大气压的存在，就更别谈知道大气压究竟有多大了. 直到17世纪中叶，著名的意大利物理学家托里拆利利用实验将大气压转换成水银产生的等大压强，揭示了大气压的存在，并测出了大气压强的数值约为1.013×105Pa. 后人为了纪念这位伟大的科学家，就把该实验命名为“托里拆利实验”.

人民教育出版社课程教材研究所编写的8年级物理(下册)[1]第9章第3节“大气压强”中对托里拆利实验做了详细介绍.但在教学实践中，按教材中介绍的实验方式做实验存在诸多弊端. 李宽迎认为每次实验都要重新灌注水银，劳神费力，教师手指接触水银，令人望而生畏[2]；刘有全指出往托里拆利管里不易注满水银，容易形成气柱，排出气柱比较困难，有时需要经过多次反复才可能成功[3]；姜庚祥指出在实验中稍有不慎就有水银散落，会造成有毒的水银蒸汽污染教室环境[4]；谷绍军则指出多个班级重复演示时准备过程麻烦，容易折断玻璃管[5]. 笔者还发现按照教材介绍的托里拆利实验步骤进行实验难以解释“玻璃管内水银柱的高度为什么能代表大气压强的大小”.

笔者在教材介绍的实验装置和其他人改进的装置的基础上做了进一步的改进和完善.

2 器材及装置图

实验装置图如图1所示. 实验器材：注射器(3支)、输液管(托里拆利管)、刻度尺、含有硫的海绵、铁架台.

图1 实验改进装置图

3 使用方法及步骤

1)按图1所示组装好实验装置. 用铁架台将注射器甲竖直固定，防止其活塞下移.

2)向外拉动注射器丙活塞打开透气孔，使整个装置与大气连通，并将整个装置水平放置.

3)取下注射器乙，并向其注入20 mL水银.

4)推动注射器乙活塞，排出注射器乙内的空气，通过输液管向注射器甲灌注水银.

5)将各个注射器固定在铁架台上，并将整个装置竖直放置，用刻度尺测量出注射器甲中水银面到输液管液柱上表面的高度，约为760 mm.

6)将注射器乙左右、上下移动，水银柱高度保持不变.

在实际的初中物理教学中，为了让学生理解“大气压支撑了输液管中的水银”这一概念，可以利用该装置做如下的尝试：

1)关闭透气孔，推动注射器丙活塞向注射器甲中充气，使输液管中的水银柱上升到一定高度. 问学生：“是什么力量使水银柱上升的？如果继续使水银柱上升该怎么办？”

2)继续慢慢向注射器甲内充入空气，当水银柱刚好到达输液管上端口时，保持不动. 问学生：“要使水银柱下降该怎么办？”然后拉动注射器丙的活塞向注射器甲中抽气，观察输液管中水银柱的移动情况.

3)继续拉动注射器丙活塞，直至活塞被拉至注射器尾部，问学生：“为什么输液管中水银柱仍会高出注射器甲中的水银面？”

4)推动注射器丙的活塞，当水银柱下降到一定高度时，打开透气孔使得注射器甲与空气相通，问学生：“注射器甲内气压和外界大气压的大小关系. ”

5)用刻度尺量出输液管中水银柱的高度约为760 mm.

4 结束语

本装置取材方便，结构简单，便于存放，使用输液管避免了玻璃管容易被折断，也不用每次实验时教师都要用手指重新灌注水银，且只要操作细心，可以避免手指直接接触到水银;水银虽然有毒，易挥发，但在本装置中含有硫的海绵能减弱装置中空气流速，有效减缓水银的挥发，而且硫具有很强的还原性，挥发的水银与硫反应，使得水银没有与空气充分接触，在一定程度上也减弱了水银对环境的危害；本装置利用普通的注射器，向密闭水银中“充气”和“抽气”，改变密闭水银中的气压，观察水银柱的变化，可以帮助学生得出结论：是大气压支撑了输液管中的水银，水银柱的高度表现了大气压强的大小. 输液管(托里拆利管)内壁会附着些微小的小气泡，对测定气压有一些影响，如果排尽微小的气泡，测得结果将更接近实际值.

[1] 彭前程. 义务教育教科书·八年级物理(下册)[M]. 北京：人民教育出版社，2010：39-40.

[2] 李宽迎. 对“托里拆利演示实验”的改进[J]. 中学物理教学参考，2008(9):59.

[3] 刘有全. 对托里拆利实验在技术上的改进[J]. 物理实验，2000,20(9)：33.

[4] 姜庚祥. 托里拆利实验演示器的改进[J]. 中学物理教学参考,2002(8)：26.

[5] 谷绍军. 托里拆利实验仪的改制[J]. 中国教育技术装备,2002(3)：27-28.

[责任编辑：尹冬梅]

Improvement of the Torricelli experiment

WANG Xiang-wei, DUAN Juan-juan, PENG Zhao-yang

(Physical and Electronic Information Technology, Yunnan Normal University, Kunming 650500, China)

The traditional Torricelli experiment was improved. Firstly, to avoid the breaking of the fragile glass tube, an infusion tube was used instead. Secondly, to prevent exposure to mercury, the pressure in the sealed chamber was adjusted by an injector. Thirdly, a sponge with sulfur was placed in the device to reduce the air velocity. Because of the strong reducibility of sulfur, the volatilization of mercury was retard. By observing the rise and fall of the mercury, the air press could be measured.

Torricelli experiment; mercury; injector

2016-06-16

云南师范大学研究生科研创新基金(No.yjs201667)

王祥委(1990-)，男，云南宣威人，云南师范大学物理与电子信息学院2015级硕士研究生，研究方向物理学科教学.

彭朝阳(1971-)，男，江西安福人，云南师范大学物理与电子信息学院教授，博士，研究方向物理课程教学和天体物理.

G633.7

A

1005-4642(2016)11-0045-02