杜培进 韩丽
甘肃省永昌县第四中学 甘肃金昌 737200
摘要：设计制造水柱测量大气压强实验仪，具有直观、操作简单、现象明显、适应性强等优点，过程更具有探究性、团队协作性和拓展性等特点，在教学中应用更能培养学生的学科素养和科学探究能力。
关键词：大气压强测量；自制实验仪器；实验探究
引言
大气压强的测量实验，过去一直用托里拆里实验，因为水银有剧毒，课堂上演示有一定的困难和风险，中学教师大多只能“讲实验”。近年来，广大教师研究探索了多种其他测量大气压强的方法，如“吸盘”测量法，注射器测量法，用金属盒气压计测量法[1,2]，力平衡法测量法[3]，这些方法克服了水银柱测量的缺点，但不同程度存在过程不易把握，测量误差大，或过程复杂等问题。如果用水代替水银，那将是很好的构想，一些老师做了积极的探索[4]。因为纯水的密度是，自来水密度略大于纯水，所以用水代替水银做实验，水柱的高度在10m左右，玻璃管用合适的透明塑料管来代替。用橡胶管连接成长10米左右的透明管必须配备铝合金准直架[5]。针对以上问题，笔者对这一实验进行了研究，改进了存在的问题，用密度计、温度计现场测量水的密度和温度，运用探究法完成该实验，拓展了实验的内容，提高了学生学习物理的兴趣，培养了学生的实验操作技能、分析问题解决问题的能力、动手能力、观察能力、团队协作能力。
1 实验原理
利用二力平衡的原理，对气体压强的测定转化为对液体压强的测定，测量介质用水，利用水缸里的水为传导压强的媒介，把大气压传到管内的水中，给其向上的支持力，以平衡管内的水柱压强，如图1，系统平衡以后，以水缸里水表面为参照面分析，薄层水面A受到上面液体压强和液体内部向上的压强，忽略水管上端无水区压强，则A面上水柱产生的压强等于大气压强。测出这个水柱高度和水的密度及当地的重力加速度，利用求出大气压强。
2 实验器材
①外径16mm、内径12mm、长约1m的透明塑料管11根；②1216直通铜接头10个，1216水笼头两个；③外径160mm，长1.2m，厚4mm透明塑料管做成的水缸1个，上端带盖，下端密封； ④自制支架一个； ⑤20软皮尺一个； ⑥扳手两个； ⑦量度值为1.0～1.2kg/m3液体浮力密度计一个；温度计一个； ⑧塑料水桶一个； ⑨红色墨水少许；胶头滴管一个 ⑩小漏斗一个。
3仪器设计
如图2
4过程与方法
①将实验仪器搬至实验场地，把水缸放在支架上，往水缸里盛水至离上沿3cm左右后，再用滴管往水中滴几滴红墨水，搅拌至均匀，用密度计和温度计测出水的密度和温度。②将第一根管水笼头1打开，笼头端向上浸入水中使其充满水后在水下关闭水笼头1。③将第二根管铜接头端向上放入桶中，注满水，上提第一根管至下端约10cm在水中时，在水中将第一、二管通过直通铜接头连接紧密，另外同学辅助使其上升；④按上法依次连接其余各管（根据当地海拔高度选择连接管的数量），最后连接第十一根（水笼头2打开）。⑤当最上面的管子上端出现一段无水空腔时，在水面下用第十一根管替换最后连接的管子，整体下移动长管使最上端无水部分尽量短，这样可减小误差。这时空腔内并非“真空”，由于管子上端的压强较小，水中的空气就会逸出跑到管子顶端，形成一段空气柱，这段空气柱产生的压强会影响水柱的高度，为了减小这种现象造成的影响，这时就要进行第二次注水。关上水笼头2，打开水笼头1，用小漏斗从水笼头1二次注满水，关上水笼头1，打开水笼头2，稳定后用皮尺测量水桶液面到管内顶端水位的垂直高度。记录好各数据，最后整理器材。
5 误差分析
用水做大气压强测量实验产生的误差主要来自水中溶解的空气及管子上端的水蒸汽。虽然空气大部分可以通过二次的注水方法进行排除，但是二次注水后再次溢出的空气则无法排除，它在一定程度上还会影响实验结果。对于管上端的水蒸汽也不容忽视，它也是造成实验结果无法达到理论高度的主要原因之一。所以一般的情况下，测出的大气压比实际值小，所以实验结果必须修正。方法如下：
(1)水蒸汽压强
管子上端的水蒸汽可近似看成饱和蒸汽，其饱和蒸汽压可用安托尼方程计算[6]，
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（2）逸出空气产生的压强
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由图3知[7]，在温度一定时，大气压强与空气在水中饱和溶解度成正比，表1[7] 列出了在一个标准大气压下水的饱和溶解度，由此可以算出当地大气压下（温度相同）水的饱和溶解度：,是在标准大气压下的饱和溶解度，是在大气压下的饱和溶解度。
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综上所述，本实验装置在实验器材、密封及实验方法上，都遵循经济、有效、简单安全的原则。所以可以用该实验装置做测定大气压强的演示实验，也可以用于中学生测定大气压强的探究活动，这使“托里拆利实验”真正的进入中学课堂成为现实。为了进一步提高实验的精度，还有待于广大物理教师与同学们在教学和学习过程中对实验仪器和实验方法做进一步改进。
参考文献：
[1] 赵树青.大气压的测量方法[J].《初中生世界》.2011.8.
[2]徐玉霞?. 测量大气压的三种实验方法[J]. 物理教学探讨. 2007年第11期(上半月)
[3]钟寿仙，杨自强等.力平衡法测量大气压强[J].《物理实验》2014.1.
[4] 李飞高，王从戎，刘小兵. 托里拆里实验的再探讨[J].《物理教学探讨》.2006.1
[5] 郑少山，李春密.用水测量大气压强的研究.《物理仪器与实验》.2013.3
[6] 华东建筑设计院.给水排水设计手册（第四册）[M].北京.中国建筑工业出版社.1986.
[7] 李文濂.L-谷氨酰胺和L-精氨酸发酵生产[M].化学工业出版社.2009.4