托里拆利实验装置的重新设计

尽管直观验证并测定大气压强的托里拆利实验已经在中学物理教材上存在了很久，但由于这个实验本身的危险性较大，基本上没有任课教师会选择在课堂上带领学生去重做这个实验。在本文中，我们通过设计一种新型的实验装置去重现了托里拆利实验，该装置能够极大地降低经典托里拆利实验的危险性，以便任课教师能在课堂上完成这个实验。

引言：

大气压强是空气作用在单位面积上的压力，在数值上等于单位面积上向上延伸到大气上界的垂直空气柱所受到的重力。如今，中学的物理教材基本都包含有经典的托里拆利实验，如图1，因为它能够直观地展示大气压强的存在以及其大小。但是，由于该实验本身属性的原因，大部分教师无法在物理课堂上带领学生去做这个实验。首先，托里拆利实验会用到大量水银，而水银具有毒性。对于传统的托里拆利实验，实验人员都会不可避免地直接接触到大量水银，极大地危害了他们的健康。其次，由于大量水银盛放在开口宽阔的玻璃槽中，水银的蒸发会还会危害到观看演示实验的同学的健康，同时还会引起环境污染问题。最后，该实验用到的水银量较大，浪费比较严重，大量水银在实验后的存储和处理也是比较麻烦的问题。正因为这些原因，一般课堂上，任课教师只能通过播放视频来演示托里拆利实验。但是，这种方式没有直接演示实验给学生的代入感强，对于初学物理不久的中学生来讲也是一种遗憾。我们认为这是中学物理课堂上一个比较严峻的问题，因为它使得学习一门基于实验的学科的学生不能以一种清晰直观的方式去理解大气压强。

因此，为了使得中学物理教师能有机会在中学生课堂上直观地演示托里拆利实验，我们设计了一种新的实验装置作为改进的托里拆利实验。通过一个特殊的密封容器，我们可以减少水银使用并且极大地减少水银和空气的接触面积，同时实验人员也避免了和水银的直接接触，使实验的安全性得到了极大的保障。

改進的托里拆利实验装置：

现在已经有一些流行的方式去重做托里拆利实验，例如用水代替水银，或者设计一个新的容器和实验方法。根据公式 ，如果我们用水代替水银，完成这个实验就需要大约10.3米高的水柱和管子。先不考虑找到合适的管子的困难性，一个普通中学的实验室也无法提供所需要的环境。除此之外，有些人也打算通过按比例减少水的使用和管子的大小，再通过计算去得出最终的数据。但考虑到实验人员会是中学生，这是他们第一次接触大气压强，所以我们认为重做的托里拆利实验不能这么复杂，它应该能很直接的给出结果。当然，也有人曾尝试去发明一个新的容器，但我们发现他们的这些方法也太过复杂或仍然还有危害。

考虑到安全问题，我们这里设计使用一个封闭的容器去减少水银蒸发，并且通过一个可以拔插的塞子控制水银和空气的接触。在减少蒸发的基础上，我们把经典托里拆利实验中的两个容器做成一个整体从而确保密封性，以使得实验人员不会直接和水银接触，如图3所示。

在经典的托里拆利实验中，实验人员通过翻转一个装满水银的管子制造真空。当水银因为重力下落时，管子顶部会形成真空，并且水银会在一定高度停止下降。为了重现一个和经典托里拆利实验同样的实验结果，我们对重新设计的实验装置按照以下步骤依次操作：1. 把容器底部的瓶子装入一定量的水银;2. 缓慢地翻转容器使得瓶子里的水银缓缓流入玻璃管中;3. 再次翻转容器。在最后一次翻转过程中，我们用了和托里拆利相似的方法在玻璃管顶部制造了一个真空区，但是过程中完全避免了实验人员和水银的直接接触。

当整个容器最终处于平衡状态时，管子里的汞柱会呈现出和经典托里拆利实验一样的性质：汞柱的垂直高度不会因为容器的倾斜而改变。为了方便测量，我们把一个可以旋转并且伸缩的尺子固定在容器的顶部，如图4。这样，无论容器怎样倾斜，尺子始终垂直于水平面，从而更方便的去测量汞柱的高度。

测试与实验结果：

因为实验仪器的限制，我们无法购买到水银去测试我们的方法，所以我们将用水代替水银去测设仪器的可行性（注意仅仅是可行性）。同时，我们是用的容器也是手工制作的，所以，我们暂时无法还原一个精确的实验。我们将会使用到以下器材：1. 一个1m长，容积为60ml的管子; 2. 一个容积为125ml的广口瓶。通过计算，广口瓶和管子的容积之比为 。所以为了确保管子的底部在平衡状态时始终没入广口瓶内的水，我们大致需要两倍于管子容积的水，如图5和图6所示。理论上，当我们进行完所有步骤后，水柱的高度不会下降。并且，如果水柱高度有下降，下降之后无论我们如何倾斜容器，水柱的垂直高度并不会改变。

在我们的测试当中，水柱高度有了明显的下降。这是因为我们的容器没有很好的密封性，所以当我们进行步骤3时无法制造完美的真空。我们认为这是可以接受的误差因为测试的主要目的是确认装置的可行性。如图7所示，无论我们怎么倾斜容器，水柱的垂直高度一直没有变化，这符合我们的预期。所以，如果当我们使用更加完美的容器并且用回水银，这个实验的结果会和经典托里拆利实验的结果一致。在整个实验过程中，只有一小部分水因为密封问题漏了出来，但如果使用的是密封性良好的容器，就不会出现漏水。所以，水银泄漏的问题也很好的被解决了。

总结与讨论

通过测试，我们证实了用一个由长玻璃管和广口玻璃瓶组成的改进装置重复托里拆利实验的可行性。并且我们装置的安全性有极大的保证，具有明显的优点和可操作性。因此，中学物理教师可以采用我们的装置在课堂上演示托里拆利实验，这会使老师和学生同时受益。当然，除了托里拆利实验，中学课本中还存在着很多其他具有隐患的实验，这些危害也需要被解决。

参考文献：

[1]张起祥， 张晓英.  托里拆利实验的新设计[J]. 中学物理教学参考， 2001（11）：13-14.

[2]龚杨. 关于托里拆利实验的几点思考[J].新课程·中旬， 2016（7）.

[3]任纪国.浅谈《托里拆利实验》的改进[J]. 学子（理论版）， 2015（4）：23-23

作者简介：王靖凯（2002.12-），男，汉族，广东深圳人，高中二年级，学生;研究方向：物理、物理教育。