周仕海

摘 要：正確的托里拆利實(shí)驗(yàn)中有兩個(gè)壓強(qiáng)：管外的大氣壓強(qiáng)和管內(nèi)的液體壓強(qiáng)，我們可以只關(guān)注管外大氣向下對(duì)水銀面的壓強(qiáng)和管內(nèi)水銀柱向下對(duì)水銀面的壓強(qiáng)，這兩個(gè)壓強(qiáng)相等則得出標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的值。但若管內(nèi)有氣泡，得考慮三個(gè)壓強(qiáng)：管內(nèi)氣體向下的壓強(qiáng)、管內(nèi)水銀柱向下的壓強(qiáng)和管外空氣向下對(duì)水銀面的壓強(qiáng)，且前兩個(gè)壓強(qiáng)之和等于大氣壓強(qiáng)。在這兩種情況下此實(shí)驗(yàn)衍生出多類型的中考題型。

托里拆利實(shí)驗(yàn)是人教版物理教材八年級(jí)下冊(cè)《大氣壓強(qiáng)》一節(jié)中一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)，在新課標(biāo)實(shí)施前，此實(shí)驗(yàn)都要求教師在課堂上演示，新課標(biāo)實(shí)施后，可能考慮到水銀對(duì)師生健康的影響，教材只要求學(xué)生在課堂上看此實(shí)驗(yàn)的錄像?！洞髿鈮簭?qiáng)》一節(jié)的教學(xué)重點(diǎn)包括“大氣壓強(qiáng)的存在”“大氣壓強(qiáng)的大小”兩個(gè)部分，教學(xué)難點(diǎn)是“大氣壓強(qiáng)的測(cè)量”，可見(jiàn)此實(shí)驗(yàn)對(duì)本節(jié)教學(xué)有著至關(guān)重要的意義。

新課標(biāo)對(duì)本實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)要求是“能簡(jiǎn)單描述托里拆利實(shí)驗(yàn)，能說(shuō)出標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)的數(shù)量級(jí)”，看似要求不是很高，但學(xué)生理解本實(shí)驗(yàn)必須要用到液體壓強(qiáng)知識(shí)，而新課標(biāo)對(duì)液體壓強(qiáng)對(duì)應(yīng)的要求是“認(rèn)識(shí)液體壓強(qiáng)與液體密度與深度的關(guān)系”“能熟練寫(xiě)出液體壓強(qiáng)公式，并能進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算”。托里拆利實(shí)驗(yàn)其實(shí)是前兩節(jié)知識(shí)的綜合運(yùn)用，本實(shí)驗(yàn)衍生的各類題型都要求學(xué)生在明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，理解?shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上，初步具備解決物理問(wèn)題的方法和能力才能完成。同時(shí)，學(xué)生在理解實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上學(xué)會(huì)了相應(yīng)理論知識(shí)，對(duì)學(xué)生走入社會(huì)后利用所學(xué)的物理知識(shí)解決生活中的問(wèn)題具有極大的實(shí)踐意義。

托里拆利實(shí)驗(yàn)其實(shí)是一種間接測(cè)量法，把一根一米長(zhǎng)的玻璃管灌滿水銀，用手堵住管口后倒立在水銀槽里松開(kāi)手，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)水銀下降一段距離后，與水銀槽的水銀面高度差保持在760mm左右。教材中介紹到“實(shí)驗(yàn)中玻璃管內(nèi)水銀面上方是真空，管外水銀面的上方是空氣，因此，是大氣壓支持管內(nèi)這段水銀柱不會(huì)下落，大氣壓的數(shù)值就等于這段水銀柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)”，教材用液體壓強(qiáng)公式計(jì)算了標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的值。教學(xué)中應(yīng)該特別強(qiáng)調(diào)是管外大氣壓強(qiáng)托起了這段水銀柱。

我們仔細(xì)分析會(huì)發(fā)現(xiàn)，正確實(shí)驗(yàn)中有兩個(gè)壓強(qiáng)：管外的大氣壓強(qiáng)和管內(nèi)的液體壓強(qiáng)，我們可以只關(guān)注管外大氣向下對(duì)水銀面的壓強(qiáng)和管內(nèi)水銀柱向下對(duì)水銀面的壓強(qiáng)，這兩個(gè)壓強(qiáng)相等則得出標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的值。但若管內(nèi)有氣泡，得考慮三個(gè)壓強(qiáng)：管內(nèi)氣體向下的壓強(qiáng)、管內(nèi)水銀柱向下的壓強(qiáng)和管外空氣向下對(duì)水銀面的壓強(qiáng)，而且前兩個(gè)壓強(qiáng)之和等于大氣壓強(qiáng)。在理解實(shí)驗(yàn)原理的情況下，我們將歷年來(lái)各地中考有關(guān)托里拆利實(shí)驗(yàn)的題型分成四類七種。

第一類是管外氣壓變化。

例1：把托里拆利實(shí)驗(yàn)搬到高山上去做，管內(nèi)外水銀面高度差將 （填高于、低于或等于）760mm。

解析：在大氣層內(nèi)海拔越高、氣壓越低，管外的氣壓變小，則這個(gè)氣壓將托不起760mm的水銀柱，于是管內(nèi)外水銀柱高度差將小于760mm。此題填“低于”。

第二類是管內(nèi)液體壓強(qiáng)變化。

例2：小明同學(xué)在海平面用水來(lái)做托里拆利實(shí)驗(yàn)，則管內(nèi)外水銀面高度差將 （填高于、低于或等于）760mm。

例3：一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓能支持 米高的水柱？

解析：例2說(shuō)到海平面即告訴我們大氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，正常情況下它能支持760mm高的水銀柱。但兩題說(shuō)的是用水做實(shí)驗(yàn)，由于水的密度比水銀小得多，則在外界大氣壓不變的情況下，大氣壓能托起更高的水柱。這類題目要引導(dǎo)學(xué)生用公式P=ρgh分析，P保持不變而且等于1×105帕，于是很容易推導(dǎo)出h=1×105帕/ρ水g。算出的結(jié)果為10.3米左右。這對(duì)學(xué)生走入社會(huì)后安排抽水機(jī)時(shí)，計(jì)算水面至真空設(shè)備處的距離具有極大的指導(dǎo)意義。

第三類是管內(nèi)氣壓變化。

例4：在準(zhǔn)備托里拆利實(shí)驗(yàn)前，若試管中水銀沒(méi)灌滿，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下管內(nèi)外水銀面高度差將 （填高于、低于或等于）760mm。

解析：管內(nèi)空氣存在壓強(qiáng)且向各個(gè)方向，但我們只考慮向下的壓強(qiáng)，這個(gè)壓強(qiáng)跟管內(nèi)水銀一起向下壓水銀槽的水銀面，與管外水銀面平衡且相等。管外大氣壓將被管內(nèi)大氣壓強(qiáng)抵消一些，于是就托不起760mm高的水銀柱，此題填“低于”。對(duì)這個(gè)題目的理解分析也會(huì)幫助學(xué)生找托里拆利實(shí)驗(yàn)的誤差。

例5：甲同學(xué)順利做好托里拆利實(shí)驗(yàn)，當(dāng)管內(nèi)外水銀面高度差等于760mm時(shí)，乙同學(xué)將試管頂部敲了一個(gè)小洞，此時(shí)管內(nèi)的水銀面將（ ）。

A.上升幾厘米

B.保持靜止

C.下降幾厘米

D.下降后和水銀槽中水銀面保持相平。

解析：不少學(xué)生在膚淺理解“是管外大氣壓托起了這段水銀柱不下落”這句話的基礎(chǔ)上，認(rèn)為此題會(huì)填A(yù)，并認(rèn)為會(huì)形成噴泉。但仔細(xì)研究后會(huì)想到，試管頂端開(kāi)口就構(gòu)成了一個(gè)連通器，管內(nèi)外氣壓平衡使管內(nèi)水銀下降。所以選D。

第四類是管內(nèi)外三個(gè)壓強(qiáng)都沒(méi)有變化。

例6：把可樂(lè)瓶中灌滿水并倒立插入水中，再慢慢把瓶子往上提，當(dāng)瓶口未露出水面前，瓶?jī)?nèi)（ ）。

A.有水但不滿

B.灌滿水

C.沒(méi)有水

D.是真空

解析：這類題目適合學(xué)生實(shí)際操作后反思原因，其實(shí)跟例3解析中“標(biāo)準(zhǔn)大氣壓能支持10米高的水柱”原理是一樣的。此題選B。

例7：小李同學(xué)順利完成托里拆利實(shí)驗(yàn)，測(cè)得管內(nèi)外水銀面高度差為755mm，之后他把試管傾斜，則管內(nèi)外水銀面高度差將 （填高于、低于或等于）755mm。

解析：在液體壓強(qiáng)一節(jié)，學(xué)生已經(jīng)知道液體壓強(qiáng)僅僅與液體深度與密度有關(guān)，容器的粗細(xì)、容器的傾斜，在液體密度與深度不變的情況下都不會(huì)影響液體壓強(qiáng)的大小。所以本題中大氣壓強(qiáng)不變，則平衡的液體壓強(qiáng)不變，755mm的水銀柱高度不會(huì)變，在計(jì)算高度時(shí)測(cè)量的是豎直高度非傾斜長(zhǎng)度，所以此題填“等于”。

參考文獻(xiàn)

[1]初中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）.