定义 利用水银柱平衡大气压强的原理,首次精确测量出大气压数值的经典物理实验。
从哪来 基于压强概念理解液体内部压强公式 $p=\rho gh$,并运用实验方法中的控制变量与理想化模型思维,结合L1 基础识记(如单位换算)与L2 理解应用(将大气压转化为液柱压强)构建。
为什么 大气压强的本质是空气分子无规则运动撞击物体表面产生的力。在托里拆利实验中,玻璃管倒置后,管顶形成真空(托里拆利真空),此时管外大气压作用在水银槽液面上,支撑着管内的水银柱。当水银柱静止时,管内水银柱产生的压强($\rho_{\text{水银}}gh$)与管外大气压强($p_{\text{大气}}$)达到平衡,即 $p_{\text{大气}} = \rho_{\text{水银}}gh$。因此,测量出水银柱的竖直高度 $h$,即可通过密度公式反推大气压强。
生活类比法
适合
形象思维强、抽象逻辑较弱的学生。
操作:拿一根长吸管,一端堵住,插入饮料中,松开手指,饮料会上升一段高度。告诉学生,大气压就像一只无形的大手,把饮料“压”在吸管里。托里拆利实验就是把“饮料”换成了密度更大的水银,把“吸管”换成了玻璃管。因为水银密度大,所以只需要约76厘米的高度就能平衡大气压;如果用水,需要10米多高,实验室放不下。
受力平衡分析法
适合
逻辑严密、擅长力学分析的学生。
操作:选取管内水银柱为研究对象。分析其受力:向下受重力 $G = mg = \rho Vg = \rho Shg$;向上受大气通过槽内液面传递的压力 $F = p_{\text{大气}}S$。因为水银柱静止,合力为零,所以 $F=G$,即 $p_{\text{大气}}S = \rho Shg$,消去截面积 $S$,得 $p_{\text{大气}} = \rho gh$。强调 $S$ 的消去说明压强与管的粗细无关。
极限假设法
适合
好奇心强、喜欢质疑的学生。
操作:提问:“如果管子再长一点,水银会充满管子吗?”“如果管子倾斜,高度会变吗?”“如果管顶漏气,高度会变吗?”引导学生思考:大气压是固定的“天花板”,它只能支撑一定高度的水银。管子长,多出来的部分就是真空;管子倾斜,竖直高度不变(因为压强只与竖直深度有关);漏气后,管内气压+水银柱压强=大气压,水银柱高度必然下降。