托里拆利實驗
【目的和要求】
理解托里拆利實驗的原理,了解實驗的作法、操作過程和步驟。
【儀器和器材】
托里拆利實驗器(J2116型),水銀,1米以上的長玻璃管(或兩根玻璃管中間用橡皮管連接),燒杯,紅色水。
【實驗方法】
1.一隻手握住玻璃管中部,在管內灌滿水銀,排除空氣,用另一隻手的食指緊緊堵住玻璃管開口端(圖1.33-1甲),把玻璃管小心地倒插在盛有水銀的槽里(圖1.33-1乙),待開口端全部浸入水銀槽內時放開手指,將管子豎直固定(圖1.33-1丙),讀出水銀柱的豎直高度。
2.逐漸傾斜玻璃管(圖1.33-1丁),管內水銀柱的豎直高度不變。
3.繼續傾斜玻璃管(圖1.33-1戊),當傾斜到一定程度,管內充滿水銀,說明管內確實沒有空氣。
4.用內徑不同的玻璃管和長短不同的玻璃管重做這個實驗(或同時做,把它們並列在一起對比),可以發現水銀柱的豎直高度不變。說明大氣壓強與玻璃管的粗細、長短無關。
5.將長玻璃管一端用橡皮塞塞緊封閉,往管中注滿紅色水,用手指堵住另一端,把玻璃管倒插在水中,松開手指(圖1.33-2)。觀察現象並提問學生:「如把頂端橡皮塞拔去,在外部大氣壓強作用下,水柱會不會從管頂噴出?」然後演示驗證,從而消除一些片面認識,加深理解。
【注意事項】
1.說明托里拆利真空的存在,是實驗的關鍵,只有這一點成立,才能得出「水銀柱的壓強等於大氣壓強」。
2.水銀有劇毒,對人體非常有害,要特別注意安全操作。玻璃管要選管壁較厚、內徑較小的。操作時要避免碰撞和晃動,嚴防管子折斷。切不可將水銀散失在教室里。灌水銀時最好用注射針筒或用細頸尖口的漏斗,下面用大塑料盒(搪瓷盆)墊上,以防水銀濺落在地。右手食指如有傷口,絕對不能帶傷口操作,可用膠皮手指套保護食指。如水銀萬一濺落在地,要設法收集,無法收集時,可撒硫磺粉使之硫化,然後收集埋掉,並打開窗戶通風。
3.要減少實驗誤差,必須注意:①玻璃管、水銀槽必須清潔、乾燥,不能有灰塵、雜質和水分。②水銀必須清潔,如混入塵埃雜質,或溶有其他金屬生成汞齊而附在玻璃管內表面,會使讀數不精確,影響效果。③灌水銀時和灌後倒置水銀槽中都不能混入空氣。可用一根紗包線或漆包線一直通到玻璃管底部,灌水銀時,不時地上下拉動紗包線,使氣泡跟著排出。
4.托里拆利實驗是定量測量大氣壓強值的重要實驗,教師要認真准備,操作要規范,給學生作出表率。要教會學生讀數和觀察的方法:如米尺的起點線與槽內水銀面凸面要處於同一水平線上;讀數時,視線應與水銀面、刻度線在同一水平線上等。
【參考資料】
大氣壓強還可以用下列實驗粗略測定。如圖1.33-3所示,取一注射器,在活塞柄上套上繩套,將活塞推至頂端,用手指(或橡皮帽)堵住注射孔,將槽碼、鉤碼或重物逐漸增加掛在繩套下,掛到活塞剛被拉動,測出所掛物重G,活塞截面積S,用公式P=G/S算出大氣壓強的值。如30毫升內徑約25厘米的注射器,截面積約49厘米2,實驗時,能掛起稍少於4.9千克的重物。注意不要掛太重的物體,並注意用手在活塞下准備托接,以防拉下時碰碎活塞。
還可採用圓盤形塑料掛衣鉤(商店有賣)兩只,將圓盤相對擠壓,排除空氣,逐步在下面鉤上加掛重物,同樣可以粗略測出大氣壓強。