托裡拆利是大名鼎鼎的物理學家伽裡略的學生。伽利略曾設計了一款水泵,但是這台泵隻能把水抽到大約9.75米的高度,這個現象令他百思不得其解。而他的學生托裡拆利對真空很感興趣,他推測老師設計的泵可能産生了真空,這是因為空氣的壓力向上推泵的入口處的水是将水擡升的原因。
托裡拆利是一個非常執着的人,對這個問題非常不滿足于推斷和假設,他要去驗證自己的假設。正當他無從着手的時候,偶然間腦洞大開,靈光一閃,有辦法了,為何不選用一種密度比水大得多的流體來實驗呢?
在衆多的流體中,水銀是最合乎邏輯的選擇,這不僅因為水銀在室溫下是流體,還因為水銀的密度約是水的13倍,更方便于實驗結果的類比。
于是,托裡拆利就開始着手實驗。他選擇了一根1m長的玻璃管,一端封閉,另一端開放,并在管子裡充滿了水銀,然後用手指堵住管子開口,将管子倒立,把開口端置于一個敞開的水銀空器中。結果發現,當水銀從玻璃管流到容器中到達平衡時,在管中留下了一段約760mm高的水銀柱。這顯然是空氣壓力作用于敞開容器中水銀面的結果。
托裡拆利小心地用實驗演示,在玻璃管的頂上水銀柱之上的空間裡存在着真空。水銀柱不掉下來的原因是,水銀柱頂上的壓力實際上為零,而柱底的壓力則等于大氣的氣壓。
我們常常将大氣壓用毫米汞柱高度為單位表示。它同帕斯卡有什麼關系?
如果我們知道水銀的密度,就能建立這兩個單位之間的關系。由水銀的密度可以求得大氣支托的水銀柱的重量。将這個重量除以玻璃管的截面積,便可求出單位面積上的力或壓力。這樣,我們推出 760mm 高的水銀柱産生的壓力為1.01x10ⁿPa(n=5),稱為一個标準大氣壓。具體計算過程如下:
m水銀=ρ水銀V=ρ水銀xSL
則G水銀=m水銀g=ρ水銀xSLxg
所以有P=G水銀/S
=ρ水銀xLxg
=13.6x10³x0.76x9.8Pa
=1.0.1×10ⁿPa/m²(n=5)。
做學問的道路上,不會總是一帆風順,坎坎坷坷肯定難免,但隻要你像托裡拆利一樣,執着專一不放棄,總會有腦洞大開的時候,而困難也就會迎刃而解。
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