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当前位置:第一节 大气的压强
作者：未知来源：中央电教馆时间：2006/4/5 10:02:59阅读：nyq
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大气压强（简称大气压）产生的原因
地球周围包着一层厚厚的空气，它主要是由氮气、氧气、二氧化碳、水蒸气和氦、氖、氩等气体混合组成的，通常把这层空气的整体称之为大气．它上疏下密地分布在地球的周围，总厚度达1000千米，所有浸在大气里的物体都要受到大气作用于它的压强，就像浸在水中的物体都要受到水的压强一样．
大气压产生的原因可以从不同的角度来解释．课本中主要提到的是：空气受重力的作用，空气又有流动性，因此向各个方向都有压强．讲得细致一些，由于地球对空气的吸引作用，空气压在地面上，就要靠地面或地面上的其他物体来支持它，这些支持着大气的物体和地面，就要受到大气压力的作用．单位面积上受到的大气压力，就是大气压强；第二，可以用分子运动的观点解释（分子运动论的知识将来初三会学到）．因为气体是由大量的做无规则运动的分子组成，而这些分子必然要对浸在空气中的物体不断地发生碰撞．每次碰撞，空气分子都要给予物体表面一个冲击力，大量空气分子持续碰撞的结果就体现为大气对物体表面的压力，从而形成大气压．若单位体积中含有的分子数越多，则相同时间内空气分子对物体表面单位面积上碰撞的次数越多，因而产生的压强也就越大．
利用分子运动论的观点可以解释：为什么大气层不均匀分布，能造成大气压下高上低的现象．
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大气压强的实质
从本质上了解大气压强的产生，对理解某些现象是十分重要的．
大气压强的实质，要用气体分子运动论来说明．气体的压强是大量的做无规则运动的气体分子与容器壁不断碰撞而产生的．由于气体分子向各个方向碰撞的几率是相等的，根据分子运动论可以推导出
，
式中的 
是单位体积内的气体分子数， 
是分子的平均平动动能．由于气体分子的平均平动动能与气体的绝对温度成正比，当温度不变时，气体的压强只与单位体积内的分子数成正比．把一个开口的玻璃瓶封闭起来，其中的压强仍然是大气压强，就是因为容器内外单位体积内的气体分子数是相同的．
由于重力的影响，大气中气体分子的分布是不均匀的，单位体积内的分子数随高度的增加按指数律递减，从而气体的压强也随高度的增加而按指数律递减．从理论推导可以求出，在温度T恒定时，如果地表面上大气的压强为
，则在高度h处大气的压强减小到
式中的 
是气体的摩尔质量， 
是普适气体恒量．
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静脉注射中的压强知识
1、当输液针刚插入瓶内时，有时为何会有药液冲出?
当护士用针筒把药剂压入瓶子内时，里面空气体积变小，瓶内空气压强p内增大，因 p内>p0，所以当输液针头插入瓶口时，就有药液被压出来，速度很快，直至p内＝p0．这样一来造成了不少药液的损失，有经验的护士总是在压入药剂后抽出一部分空气，p内＝p0．
2、输液瓶口为何要插两根管?
假设刚开始时瓶内空气压强等于大气压p0，瓶口处的压强为pA=p0+ρ药gh，(见图)由于一大气压能支持10m高水柱，所以ρ药gh〈〈p0．当输液针插入瓶口后，因pA>p0，所以有一部分药液经管子流出．在药液高度降低时，瓶内空气体积变大压强变小，pA减小，当pA＝p0时，药液就不再流出，所以要用另一根管子将瓶内与大气连通．
3、药瓶为何要吊在高处?为何针头刚插入血管时有血液冲出?
人处于大气中，人体内的压强也是大气压p0，由于心脏的压缩，在静脉中还有附加压强p′，所以静脉内真实压强为p=p0+p′．吊针时，药液通过进气管与大气相通，与p0相抵消，故药液的压强必须大于人体静脉的附加压强p′，才能使药液进入静脉．通常输液还要有一定的速度，药液的压强就更要大于p′．所以，药瓶要挂在一定的高度h2，使ρ药h2g>p′．
护士在给病人打“吊针”前，都是把药瓶挂在架上，打开输液管中的调节器，随着药液的下流，排除管中的空气后，关闭调节器，此时药液不流动，并且使调节器上下液柱隔断．护士在把针头刺入静脉前，调节器是关闭的，针头刺入静脉时，由于静脉附加压强p′大于调节器以下至针头内药液的压强，所以静脉内血液冲入管内．护士正是根据有血液冲出，可判断针头已刺进静脉，不需重刺．此刻，她迅速打开调节器和绑在手臂上的橡胶管，药液的压强大于p′，血液又很快随药液进入静脉．
4、“吊针”为什么匀速滴注?
“吊针”的药液为什么匀速滴注?有人认为是由“吊针”上调节器控制的，这种观点是错误的．如一水池底部有一水龙头，水龙头只能控制流水的开关和流量的大小，但随水位的逐渐降低，流出来的水就会越来越慢，水龙头不能控制水自始至终保持匀速流出．“吊针”上的调节器如同水池下的水龙头，它只起着调节输液管孔径的大小以控制进药量和停止进药的作用．
那么“吊针”是如何使药液匀速滴注的呢?如上图，随着瓶内药液的降低，瓶内液面上气体压强减少，外面的空气在大气压作用下通过进气管不断进入瓶内上部，总保持瓶内液面气体的压强与h1段液柱压强的和等于大气压．所以B所在水平液面(出液口)处所受的压强恒等于大气压强p0不变，瓶内h1段液柱的高度变化产生的压强变化对出液口处无影响．药液产生的压强p药=ρ药h2g+p，因h2在滴注过程中不变，所以p药恒定．病人的血压p血(包括收缩压和舒张压)在输液的短时间内一般是不变的，这就保持了注射压强p注=p药-p血相对稳定，因而保证了摰跽霐在整个输液过程中能始终匀速滴注．
5、当药液滴注完时，空气会进入静脉吗?
在静脉滴注时，当药液快要滴完时人们总是急着去找护士，因为人们怕药液滴完后空气进入静脉内危及生命．事实如何呢?当药液滴完后你会发现液面会在塑料细管中下降，但到了一定高度就不再下降，基本保持不动．因为，前面已讲过，人体静脉内真实压强为p=p0+p′，在静脉入口处药液产生的总压强为p０+ρ药gh当两者相等时，药液就不再下降，保持静止．在与心脏差不多高的肘部静脉压为30mm～145mm水柱高，外周小静脉中的压强大一些．所以实际中看到药液静止时的高度多在20cm左右，如果降低瓶子高度，我们会发现有血液外流现象，这是因为外周静脉压大于药液产生的压强的缘故．
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流体力学的奠基人——托里拆利
托里拆利（Torricelli，Evangelista，1608-1647）是17世纪西方的一位颇负盛名的科学家．他在正当39岁生日之际，突然病倒，与世长辞．可他在短短的一生中，取得了多方面杰出的成就，赢得了很高的声誉．
托里拆利出生在意大利华耶查城的富裕的贵族家庭，他从小就受到了良好的数学教育．托里拆利的父亲是一位纺织业主，后来由于经营情况不佳，日益衰落．父亲为了摆脱窘境，被迫把托里拆利送给伯父雅可布抚养．他在十七八岁时，卓越的数学才能已初露锋芒．1627年，伯父在朋友们的劝说下，把托里拆利送到罗马，拜伽利略的得意门生、数学家和水力学工程师卡斯特里为师，继续深造．卡斯德利是当时远近闻名的数学家和水利工程师，他在数学领域内很多方面都有卓著的成就，还为水力学创立了科学的基础．
1628年，卡斯特出版了一本有关流体力学的著作．托里拆利仔细研读了导师的名著，还做了一系列实验，逐个验证书中的重要结论．他发现，书中关于液体从容器底部小孔流出的速度和小孔离液面高度成正比的结论，和实验不符．经过反复测量和计算，他总结出水从容器底部小孔流出的速度和水从小孔上方的水面高度自由下落到小孔时候的速度相等，进一步得到了这个速度和小孔上方水面高度的平方根成正比的正确结论．托里拆利热爱和尊敬自己的导师，但是他并不盲从．他决定把自己的发现整理成文，公开发表，来纠正导师的这个学术错误．胸怀宽广的卡斯特里看到这篇文章以后，十分高兴，认定托里拆利大有培养和发展前途，立即决定让他当自己的秘书，在学术上给予他指导．
托里拆利深刻研究了伽利略的《两种新科学的对话》一书．从中获得了有关力学原理的发展的很多启发．1641年，托里拆利出版了《论重物的运动》一书，企图对伽利略的动力学定律作出新的自己的结论．卡斯德利在一次拜访伽利略时，将托里拆利的论著给伽利略看了，还热情推荐了托里拆利．伽利略看完托里拆利论著之后，表示非常欣赏他的卓越见解，便邀请他前来充当助手．1614年，托里拆利来到佛罗伦萨，会见了伽利略，此时伽利略已双目失明，终日卧在病床上．在他生命的最后三个月中，托里拆利和他的学生维维安尼担任了伽利略口述的笔记者，成了伽利略的最后的学生．
1642年伽利略逝世后，托里拆利接替伽利略任佛罗伦萨科学院的物理学和数学教授，并被任命为宫廷首席数学家．从此他有钱可以做一些实验研究，不再像以往那样只能从事理论探索．后来，托里拆利大大充实了伽利略的《两门新科学的对话》“第五、六两天”的内容．
托里拆利在佛罗伦萨生活了五年，直至去世．在这五年多的时间里，他进行了大量的科学研究，还结识了画家罗莎，古希腊文明学者达狄和水利工程师阿里盖提，并受到了上层人物们的普遍敬重．他还应邀在秕糠学会作了12次学术演讲，演讲题材广泛，其中有6次是关于物理学方面的．这些讲稿在语词方面均无瑕疵可挑，为常人所不及，是典型的意大利文学作品．他的演讲中还充满着文艺复学时代的那股斗争精神，抨击了那种尽全力维护顽固守旧势力的天主教思想，多次欢呼伽利略的成就，捍卫伽利略的学说．
托里拆利也具有很高的数学造诣．他在数学方面最大的贡献是进一步发展了卡瓦列里的“不可分原理”，帮它走向后来牛顿和莱布尼兹所创立的微积分学．他在《几何学文集》中提出了许多新定理，如：由直角坐标转换为圆柱坐标的方法，计算有规则几何图形板状物体重心的定理．还成功地结合力学问题来研究几何学．例如，他研究了在水平内的一定速度抛出物体所描绘的抛物线上作切线的问题，还研究了物体所描绘的抛物线的包络线．他曾测定过抛物线弓形内的面积，抛物面内的体积以及解决了其他十分复杂的几何难题．
托里拆利还将卡瓦列里的不可分原理以通俗易懂的方式写得颇受广大读者欢迎，对不可分原理的普及起了推动作用．
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格里克与马德堡半球实验
在17世纪那个时候，德国有一个热爱科学的市长，名叫格里克．他是个博学多才的军人，从小就喜欢听听伽利略的故事；爱好读书，爱好科学；一直读到莱比锡大学．1621年又到耶拿大学攻读法律；1623年，再到莱顿大学钻研数学和力学．他读了三所大学，知识面很广，上知天文，下识地理；什么数理、法律、哲学工程等等，无所不知，无所不通．因此，他能在军旅中过活；又可在政界中立足；更能在科学界发言．他是1631年入伍，在军队中担任军械工程师，工作很出色．后来，投身政界，1646年当选为马德堡市市长．无论在军旅中，还是在市府内，都没停止科学探索．
1654年，他听到托里拆利的事儿，又听说还有许多人不相信大气压；还听到有少数人在嘲笑托里拆利；再听说双方争论得很激烈，互不相让，针锋相对．因此，格里克虽在远离意大利的德国，但很抱不平，义愤填膺．
他匆匆忙忙找来玻璃管子和水银，重新做托里拆利这个实验，断定这个实验是准确无误的；再将一个密封完好的木桶中的空气抽走，木桶就“砰！”的一声被大气“压”碎了！
有一天，他和助手做成两个半球，直径14英寸，即30多厘米，并请来一大队人马，在市郊做起“大型实验”．
这年5月8日的这一天，美丽的马德堡市风和日丽，晴空万里，十分爽朗，一大批人围在实验场上，熙熙嚷嚷十分热闹．有的说这样，有的说那样；有的支持格里克，希望实验成功；有的断言实验会失败；人们在议论着，在争论着；在预言着；还有的人一边在大街小巷里往实验场跑，一边高声大叫：
“市长演马戏了！市长演马戏了—”
格里克和助手当众把这个黄铜的半球壳中间垫上橡皮圈；再把两个半球壳灌满水后合在一起；然后把水全部抽出，使球内形成真空；最后，把气嘴上的龙头拧紧封闭．这时，周围的大气把两个半球紧紧地压在一起．
格里克一挥手，四个马夫牵来八匹高头大马，在球的两边各拴四匹．格里克一声令下，四个马夫扬鞭催马、背道而拉！好象在“拔河”似的．
“加油！加油！”实验场上黑压压的人群一边整齐地喊着，一边打着拍子．
4个马夫，8匹大马，都搞得浑身是汗．但是，铜球仍是原封不动．格里克只好摇摇手暂停一下．
然后，左右两队，人马倍增．马夫们喝了些开水，擦擦头额上的汗水，又在准备着第二次表现．
格里克再一挥手，实验场上更是热闹非常．16匹大马，死劲抗拉，八个马夫在大声吆喊，挥鞭催马……
实验的上的人群，更是伸长脖子，一个劲儿地看着，不时地发出“哗！哗！”的响声．
突然，“啪！”的一声巨响，铜球分开成原来的两半，格里克举起这两个重重的半球自豪地向大家高声宣告：
“先生们！女士们！市民们！你们该相信了吧！大气压是有的，大气压力是大得这样厉害！这么惊人！……”
实验结束后，仍有些人不理解这两个半球为什么拉不开，七嘴八舌地问他，他又耐心地作着详尽的解释：“平时，我们将两个半球紧密合拢，无须用力，就会分开．这是因为球内球外都有大气压力的作用；相互抵消平衡了．好象没有大气作用似的．今天，我把它抽成真空后，球内没有向外的大气压力了，只有球外大气紧紧地压住这两个半球……”．
通过这次“大型实验”，人们都终于相信有真空；有大气；大气有压力；大气压很惊人，但是，为了这次实验，格里克市长竟花费了4千英镑．
实验结束后，这里的人群逐渐向四面八方分散而去了，但是在欧州的另一个地方——比萨，也聚集着一大片黑压压的人群．
要知有何奇观，且看下回分解．
附计算稿：大气压数值：
“13600千克/米3×9.8牛顿/千克×0.76米=101292.8牛顿/米2=101292.8帕”
大气压支持水的高度
