实验验证大气压使“小试管上爬”，本文主要内容关键词为：大气压论文,试管论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
在讲授九年义务教育物理课程中的“大气压强”时，常常做“小试管上爬”实验来导入新课。
对此实验通常做如下分析：如图1所示，大气压强为P[,0]，小试管的质量为m，横截面积为S，液体的密度为ρ。则小试管受向上的压强为
P[,a]＝P[,0]
向上的压力为
F[,向上]＝P[,a]S＝P[,0]S
小试管受向下的压强为
P[,b]＝P[,0]－ρgh
向下的压力为
F[,向下]＝P[,b]S＝（P[,0]－ρgh）S
上下两压力的合力为
F＝F[,向上]－F[,向下]
＝P[,0]S－（P[,0]－ρgh）S
＝ρgV[,排]
小试管能否上爬取决于此合力F与小试管所受重力（mg ）之间的关系：当F〉mg时小试管上爬；F＝mg时小试管静止；当F〈mg 时小试管下落。
由于两压力合力表达式F＝ρgV[,排]与浸没在液体中物体受液体对物体的浮力公式在形式上一样，致使许多人认为使小试管上爬的力是液体对小试管的浮力，而与大气压强大小无关，甚至说即便没有大气压强，小试管依旧可以上爬。我们用实验的方法探讨了这个问题。
最初，我们用到的仪器有抽气盘、旋片式真空泵、大试管、小试管、支架（用以防止大试管倾倒），装置如图2所示。
这套装置存在两个问题：第一，抽气盘（包括钟罩）容积大，抽气时间长，真空度不容易保证；第二，从大试管内流出的水积在抽气盘中容易被抽入真空泵。
为了解决这两个问题，我们改用图3所示装置。大试管（Φ1.792cm＊17.5cm内径1.490cm）、小试管（Φ1.450cm＊8cm，质量6.5g容积10cm[3]）、细线、真空泵（J1007）、锥形瓶（250mL）。
考虑到在抽气过程中倒置大试管是困难的，因此实验从静止的状态开始，做法如下。
首先在小试管中内置一小段橡胶柱（或火柴杆），卡在小试管内壁，把细线拴在橡胶柱上，然后再放入盛水的大试管中。倒置大试管。当小试管上爬一段距离后，细线绷紧，把细线的另一端用塞子塞好，细线夹在大试管壁与塞子之间，小试管处于静止状态，把大试管竖直固定在方座支架上。
在抽气开始之前，小试管受到重力、大气压强产生的压力、液体压力、细线的拉力，在这些力的作用下小试管静止。当真空泵工作开始后，大气压强逐渐减小，若小试管能够继续保持静止，则表明小试管上爬与大气压强无关。如果小试管掉下来则证明小试管上爬，大气压强是起作用的。
在实验过程中发现，当大试管内气压减小后，在试管壁上出现许多小气泡（水中溶解的空气）。对此，我们用预先抽气的方法来减少溶解于水中的空气，即先对大试管中的水抽气（管口向上），直到大试管壁上的气泡小到用肉眼观察不到，再用它来进行实验。
这样处理后，多次做实验，结果小试管总会掉下来。
我们对实验进行了如下分析。
首先，在开始抽气之前，大试管内最高点C处水的压强为P＝P[,0]－ρgH。因为P[,0]〉ρgH，所以水柱可以和小试管一起保持静止。当P[,0]逐渐减小，直至P[,0]＝ρgH，水柱和小试管依旧可以保持静止，但当P[,0]〈ρgH时，水就会在重力的作用下掉了下来， 这与托里拆利实验的道理是一样的。同时可以证明C处水的压强不能为负值；其次，对小试管而言，小试管受重力、水的压力、细线的拉力和大气压力，在四个力中前三个力的方向是向下的，唯有大气压力的方向是向上的。当大气压力减小到不能与前三个力平衡时，小试管必然与水一起下落。
做完以上实验后，即可以认定小试管上爬是大气压强作用的结果。上述实验是从静止平衡开始的，似乎与原实验不同，于是又做了如下实验：装置（所用仪器相同）如图5所示。
先对大试管中的水抽气（去掉水中溶解的空气），然后插入小试管（不带细线），塞好塞子，抽气。过一段时间后倒置大试管，观测到小试管和水一起下落，一直下落到底，水进入锥形瓶。小试管不能上爬。
综合以上实验，可以认识到大气压是小试管上爬不可少的因素，没有大气压，小试管不能向上爬。
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