大气压实验

小试管上升实验

实验目标：理解液体压强和大气压强的基本原理。 实验器材：大试管、小试管、水。 实验原理：

大气压强引起的虹吸，是一种流体力学现象，可以不用泵而吸抽液体。处于较高位置的液体充满一根倒U形的管状结构（称为虹吸管）之后，开口于更低的位置。这种结构下，管子两端的液体势能差能够推动液体越过最高点，向另一端排放。主要是由液体内部压力差让虹吸管作用。

说明：小试管受三个力，大气压作用于小试管底部的力F1，液体对小试管底部的力F2以及小试管自身的重力G。其合力为：∑F= F1- F2- G。

=P0S-(P0-pgh)S-G0 = pghs- G0 小试管下部是空的，与大气接触，受到水的压力（或压强）。大试管内水的高度不大，远远小于10米。大气压强相当于10米高水柱产生的压强，所以小试管受到大气向上的压力大于试管上方水产生的向下压力。小试管

受到的合力向上。小试管在向上合力的作用下，向上运动，并且把大试管中的水从两试管的间隙中挤出。水从大试管中流出，小试管上升填补大试管里水流出后产生的空隙。

要求小试管的直径略小于大试管的内径，是为了让水从两个试管的间隙中慢慢地流出，不让空气进入大试管，这样可以使大试管内的压强始终小于大气压强，小试管逐渐上升。此实验可证明大气压的存在。 实验过程：

1。选大、小两个试管，小试管要能够插入大试管，且间隙要合适，既不能太紧，也不能过宽。

2。在大试管中装满水，再将小试管插入其中，让水自然溢出。然后同时握住两个试管，将其快速翻转，再放开小试管。

3。发现水沿着两个试管的夹层顺流而下，小试管逆流而上。

马德堡半球实验

实验目的：验证大气压强的存在 实验器材：马德堡半球模型 实验原理：

马格德堡半球，是一对铜质空心半球，被用于1654年由德国物理学家、时任马德堡市长奥托·冯·居里克于神圣罗马帝国的雷根斯堡（今德国雷根斯堡）进行的一项物理学实验[1]。在这项实验中，实验者先将两个完全密合的半球中的空气抽掉，然后驱马从两侧向外拉，以展示大气压力的作用。

居里克制造的用于实验的两个铜质空心半球直径约50厘米（20英寸），半球中间有一层浸满了油的皮革，用以让两个半球能完全密合。其中一个半球上带有连接管，用以连接真空泵，有阀门可将其关闭。当两个半球间的空气被抽出后，两个半球便会受周围的大气挤压而紧合在一起。这项实验中使用的真空泵是居里克受托里拆利制造的人工真空启发而设计的世界上第一个真空泵。

根据理论计算，使得两个半球结合的力的大小可以由半球的直径、半球内外的压强差计算得到。在居里克的实验中，由于无法得知其使用的真空泵效果如何，因此无法准确计算使得两个半球分开所需的力的大小。

实验过程：

1. 准备两个均匀抹油的马德堡和一个抽气筒。

2. 将连个半球紧密的合在一起 将抽气筒连接到半球上。 3. 打开阀门 抽气（抽10次，抽50次）。 4. 关闭阀门。

5. 用力拉开半球并感受抽气10次和50次所需力的区别。

覆杯实验

实验目的：感受并验证大气压强的存在 实验器材：杯子、水、硬纸板一块 实验原理：

一、 相互平衡的力

覆杯实验中，无论是杯子、水还是纸片都处于静止平衡状态，因而它们各自所受的力都是相互平衡的力。就纸片而言它受向下的重力G，向下的水的压力p水S (S为杯口的面积)和向上的大气压力p0S，如图2 示。（杯口面积S以外，纸面上下都有大气压的作用，故这里不再考虑）

图-2 纸片受力图

纸片是否受杯口的作用力呢?不受。仔细观察可以发现纸片并不与杯口直接接触（如果用玻璃片则此现象更为明显），而是有个缝隙，其间是水。所以纸片只受上述三个力，由于平衡则有

p水S +G = p0S (1)

如果考虑到纸片很轻，则可知作用在纸片上的水的压强p水近似与大气压强p0相等，而不是小得很多。

二、 相对压强和绝对压强

液体静力学中有一个基本方程——静液平衡方程。 p2 － p1 =ρgh (2)

式中p1，p2为静止液体中任意两点，即点1和点2（点1在上，点2在下）的压强；ρ为液体的密度。

根据静液平衡方程可知，对于封闭在覆杯中的水来说，水柱高度只决定下口处与上底处 的压强差(ρgh )，这是相对压强，并不决定下口处水的实际压强，也就是绝对压强的大小。其下口处(以及上底处)的绝对压强则由所处具体条件所形成的挤压程度决定。

为了讨论覆杯下口水的压强，让我们先做些假设，这样可以使问题得到简化且不致发生歪曲。第一，假设杯子上下粗细均匀，截面面积S为一定值。如此可避免由于杯子粗细不均带来处理上的麻烦。第二，假设杯中的水是满的，盖上纸片，以及倒置以后，手没有离开纸片以前水的体积没有发生丝毫变化。

在上述假设条件下，原来杯子没有倒置以前水面处的压强等于大气压强p0。而杯底处由于重力作用水的挤压程度较大，其压强大小等于p0+ρgh，大于大气压强。

倒置以后由于水的压强分布仍应是上端(现在是杯底处)压强接近于p0，下端(现在是杯口处)压强接近于p0+ρgh，这也就是水作用于纸片上的压强，即约为

p水=p0+ρgh （3）

此处的讨论也可以假设杯子是一个上下开口粗细均匀的玻璃筒。先在下口垫上纸片将其封闭，然后倒满水，再用玻璃片将上口封闭。这样省去倒置过程，却可以得到同样的结论。

由以上讨论我们可以清楚地认识到，在这种情况下杯中的水作用在纸片上的压力p水S不是小于大气压力而是大于大气压力p0S。 三、杯中水的挤压程度与表面张力附加压强

在做覆杯实验的过程中，将杯子倒置以后放开扶着纸片的手时，纸片将稍许下沉与杯口 脱离接触，形成一个充满水的缝隙，这时纸片甚至可以在水平方向自由移动，如果用玻璃片代替纸片做实验，这种现象更明显。这说明杯子中水的挤压程度发生了变化，减小了压强。 对于液体来说，体积微小无法察觉的变化都会引起压强很大的变化。

仔细观察，缝隙中水的表面呈凹形曲面，如图3所示。这个缝隙里水的表面张力产生的附加压强也会对杯内水的压强起到了调节作用。

在这种情况下水的表面张力产生的附加压强为

ps??2?cos? （4） d式中“－”号表示为负压，此附加压强使水内压强减小；α为水的表面张力系数；θ为接触角；d为凹形曲面宽度。

由以上分析可知，当外界大气压强为p0时，则纸片（玻璃片、铁片等都一样）上方水的压强为p水 ＝ p0 + ps，即

p水=p0?2?cos? (5) d式（5）显示表面张力产生的附加压强使纸片上方水的压强减小，从而满足(1)式，使纸片保持静态平衡。

由此可见，表面张力作用不可忽视，实验中的液体必须与杯子、纸片润湿。 实验过程：

1. 取一纸杯，装满水。 2. 用一硬纸板盖住杯口。

3. 用手按住纸板并翻转水杯（注意不让水流出）。 4. 观察纸板是否会掉落。

注射器测量大气压强

实验目的：理解大气压强的基本原理，学会计算大气压强。 实验器材：针筒、弹簧测力计、细线、刻度尺

实验原理：

物体在平衡状态时受到平衡力作用。以注射器活塞为研究对象，受到的大气压力与弹簧秤的拉力是一对平衡力，由弹簧秤的读数可知活塞受到的大气压力。再由注射器的有刻度的容积和长度计算出活塞的受力面积。由压强=压力/受力面积计算大气压强。 实验过程：

1. 将注射器的活塞推至注射器筒的底端，排尽筒内的空气，然后，用蜡或橡皮帽封住注射器的小孔。

2. 用细绳栓住注射器活塞的颈部，使绳的另一端与弹簧测力计的挂钩相连，水平向右慢慢地拉动注射器筒。

3. 拉动弹簧测力计使注射器中的活塞指至示数为V0=5ml。

4. 继续拉动弹簧测力计，使注射器中活塞指至示数为V1=6ml，分别记下弹簧测力计示数F1。

5. 使用刻度尺测量注射器0~5ml刻度之间长度L，得出针筒截面积S=V/L。 6. 利用理想气体物态方程 P0V0 = P1V1 计算注射器内气体压强P1。（其中P0为大气压强）

7. 根据受力分析，P0S = P1S + F1，最终计算出大气压强P0。

8. 再次拉动弹簧测力计，使注射器中活塞指至示数分别为V2=7ml、V3=8ml，并记下相应的弹簧测力计示数F2、F3。重复以上计算，算出大气压强P0，取3次平均值。

9. 拉动弹簧测力计使注射器中的活塞指至示数为V0=10ml，重复3次以上实验步骤，每增加1ml体积，计算一次大气压强，取3次平均值。 实验数据： 原体积V0（ml） 5 5 10 10 10 10 拉动后体积（ml） 6 7 11 12 13 14 拉力F 4.2 8 1.8 5.2 7 8.6 大气压强P0（Pa） 9.33×104 1.04×105 7.33×104 1.16×105 1.12×105 1.11×105 P0平均值 = 1.016×105 Pa

思考题：

如何用直径为D的吸盘测量大气压强。

将一个塑料小吸盘倒吸在一个水平玻璃板下方或平底玻璃杯的底部，尽量排出吸盘与玻璃杯之间的空气，然后，在吸盘下面挂上钩码，逐渐增加钩码的个数，直至钩码恰好将塑料吸盘拉下，使吸盘恰好掉落，测出所挂钩码的重力，然后借助数学方法测出小塑料吸盘的直径D，算出半径r， 再测出其面积S=πr2，根据压强计算公式P=F/S计算出大气压强。