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  • 1 # 使用者4691955236311

    真空一般是指氣壓很低的空間。人們為了研究大氣壓強,做了很多實驗。著名的托里拆利實驗就是其中的一個。根據這個實驗,托里拆利(E.Torricelli)發現了真空,從而破除了前人一直認為“自然界厭惡真空”的傳統說法。

    其實,自然界並不厭惡真空,古代科學家之所以主張“自然界厭惡真空”,是因為在當時的條件下真空是一種無法實現的境界。他們用這一理由解釋抽水機的作用。到了伽利略時代,這種觀念開始遭到懷疑。伽利略根據深井抽水,高不過10米的實際經驗作出判斷,認為這種“厭惡”是有限度的。他做了一個實驗,希望測出抽水機中真空的力。他的裝置是一個金屬圓筒,內有一木質活塞,活塞中間開有一小口,一鐵絲穿過。先將活塞壓到圓筒底部附近,然後翻過來。鐵絲的上端有一圓錐形頭,注入少量的水正好把小口封住,這時在鐵絲的另一端的掛鉤上吊一隻桶,桶裡加有沙子或其他重物,直到活塞脫離圓筒為止。稱出活塞、沙桶和鐵絲的重量就可以得到真空的力,也就是自然界對真空的阻力。

    伽利略解釋說,抽水機不能把水抽過10米高,就是因為自然界對真空的阻力是有限的。伽利略雖然沒有擺脫自然界厭惡真空的傳統觀念,但是他認識到有可能獲得真空,這為後人的研究開闢了道路。

    17世紀40年代義大利有一位物理學家叫伯蒂(G.Berti),從伽利略的書中得知抽水機不能把水抽過10米高的事情,他表示懷疑,就專門設計了一套規模龐大的裝置。他在樓前架起了一根豎直長管,底端沉入水中,用活塞塞緊,然後在管中灌滿了水,上端密封好。開啟活塞,水柱下落,這時伯蒂證實,水柱確實只能維持10米的高度。他還在水管的頂端安放了一隻鈴鐺和一把小錘,水柱落下,鈴鐺和小錘處於真空之中,應該聽不到鈴聲,可是,也許是金屬手柄傳導的緣故,伯蒂這一實驗不很成功,鈴聲還是傳出來了。

    伯蒂的真空實驗又激起了其他人的興趣,其中一位就是托里拆利。實驗使他想到用比水重的液體代替水,有可能縮短管道的長度。托里拆利是伽利略的學生,伽利略去世前夕,囑託托里拆利繼續研究真空問題。

    托里拆利先是用海水,後來改用蜂蜜,最後找到汞(水銀),因為就在他所在的義大利中部地區,有一座汞礦。汞比水重13.6倍,因此就可以用短十幾倍的管子代替10米長的抽水機唧筒。當時還沒有一個地方能生產承受得住像1米高汞柱那樣重的長玻璃管,托里拆利就請伽利略的一位年輕學生維維安尼做這樣的玻璃管,並和他一起做了實驗。將長1米的玻璃管,一頭封死,從另一頭灌入汞,直到管端,然後用手指捂住管口,再倒置於汞槽中,觀察撤去手指後汞面的高度。托里拆利在1644年向友人寫信報道了這個實驗,並且指出,不論玻璃管的形狀如何,汞柱的高度總是76釐米左右。他的實驗設計得很巧妙,很有說服力。

    托里拆利畫了一幅裝置圖。A、B兩根玻璃管,高度相同,形狀各異,A管上端是一玻璃泡E,顯然AE的體積比B大得多,如果汞柱上升原因是由於“自然界對真空的阻力”,越是稀薄的物質對汞柱的吸力應越大,所以A管的汞柱應升得更高,然而事實上兩支管子達到的高度相同,與容器中剩餘物質的稀密無關,可見作用不是來自管子內部。

    為了證明汞柱上方的容器是完全空的,托里拆利在汞槽里加進純水,然後慢慢提高玻璃管,他們看到,當管子的開口達到水的那部分時,汞從管中湧出,水卻急速地透過玻璃管上升,充滿整個空虛部分。可見,使汞不掉下的原因,不在於內部,而在於外部。作用於汞柱的力,不是由於真空,而是由於高達80千米的空氣的重量而產生的。他寫道:“汞既無偏愛,也無厭惡,它進入容器並且在管柱中升高到足以與壓它向上的外部空氣的重量相平衡,這有什麼好奇怪的呢?”然後,托里拆利說如果用水代替汞做同樣的實驗,水柱將會升到10米高,才能平衡大氣的重量施加於它的力。就這樣,托里拆利對抽水機抽水為什麼不能高過10米,做出了正確的解釋。托里拆利透過上述實驗發明了測量大氣壓的氣壓計。

    不久,托里拆利的實驗傳到了法國。法國的帕斯卡(B.Pascal)為了檢驗托里拆利的結論,在巴黎也做起了同樣的實驗。他認為要對汞柱升高的原因是大氣壓的說法作出判斷,最好的辦法是測出高處和地面上氣壓計汞柱高度的差別。但是當時市內建築不足以得到明顯結果,於是他想到在山頂上做實驗。帕斯卡是一位半殘人,無法爬山,他就求助於其內弟佩利爾(F.Perier)。佩利爾將氣壓計帶到多姆山頂上,他果然發現,在山頂上管中汞柱高度比山下低3英寸(約0.076米)多。

    佩利爾在返回的路上又做了分段觀測,證明汞柱升高與高度的降低成正比。當他回到出發地時,得知留在山下的另一支氣壓計在他離開的一段時間內汞柱高度並沒有變化。

    這個實驗結果使帕斯卡堅定了大氣壓存在的信念。他明確表示,空氣的重量和壓力是造成汞柱懸掛的惟一原因。因為在山下比山上有更多的空氣壓下來,“自然界並不厭惡真空”。

    帕斯卡對氣壓計還做了其他研究,例如,他研究了汞柱高度和氣候的關係,從此,氣壓計得到了廣泛的應用。

    帕斯卡是法國一位很有才華的數學家和物理學家。他自幼體弱多病,但卻是一個神童,12歲就開始對數學發生了興趣,16歲隨父親參加巴黎的學術活動,17歲提出了投影幾何學中的一個著名定理,20歲發明了第一臺機械計算機。

    1651~1654年間,帕斯卡研究了液體靜力學,提出著名的帕斯卡定律。帕斯卡於1662年去世,年僅39歲。為了紀念帕斯卡的功績,物理量壓強的單位就以他的名字命名。

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