揭秘标准大气压,760mm汞柱背后的物理奥秘与历史渊源

揭秘标准大气压,760mm汞柱背后的物理奥秘与历史渊源"/

760mm汞柱作为一个标准大气压的度量单位,其背后的科学原理和来龙去脉如下:
### 科学原理
标准大气压是指在海平面上,大气对单位面积所产生的压力。这个压力是由于地球表面上方空气柱的重量造成的。在物理学中,大气压力可以通过测量一定高度的水银柱(汞柱)所产生的压力来间接测量。
根据托里拆利实验(Torricelli's experiment),一个封闭的玻璃管中,如果将其一端充满水银并倒置放入水银槽中,水银柱会下降,直到达到一个稳定的高度。这个高度就是水银柱平衡时的垂直高度。
托里拆利实验表明,在标准大气压下,水银柱的高度大约是760毫米(mm)。这是因为在标准大气压下,大气压力正好能够支撑起760mm高的水银柱。
### 来龙去脉
1. "托里拆利实验":1643年,意大利科学家埃万杰利斯塔·托里拆利进行了这个实验,这是第一个测量大气压力的实验。他发现,当玻璃管中水银柱的高度稳定在760mm时,大气压力与水银柱产生的压力达到了平衡。
2. "单位定义":由于托里拆利实验的结果,人们将1个标准大气压定义为能够支撑760mm高水银柱的压力。这个定义在国际单位制中被广泛接受

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托里拆利是大名鼎鼎的物理学家伽里略的学生。伽利略曾设计了一款水泵,但是这台泵只能把水抽到大约9.75米的高度,这个现象令他百思不得其解。而他的学生托里拆利对真空很感兴趣,他推测老师设计的泵可能产生了真空,这是因为空气的压力向上推泵的入口处的水是将水抬升的原因。

托里拆利是一个非常执着的人,对这个问题非常不满足于推断和假设,他要去验证自己的假设。正当他无从着手的时候,偶然间脑洞大开,灵光一闪,有办法了,为何不选用一种密度比水大得多的流体来实验呢?

在众多的流体中,水银是最合乎逻辑的选择,这不仅因为水银在室温下是流体,还因为水银的密度约是水的13倍,更方便于实验结果的类比。

于是,托里拆利就开始着手实验。他选择了一根1m长的玻璃管,一端封闭,另一端开放,并在管子里充满了水银,然后用手指堵住管子开口,将管子倒立,把开口端置于一个敞开的水银空器中。结果发现,当水银从玻璃管流到容器中到达平衡时,在管中留下了一段约760mm高的水银柱。这显然是空气压力作用于敞开容器中水银面的结果。


托里拆利小心地用实验演示,在玻璃管的顶上水银柱之上的空间里存在着真空。水银柱不掉下来的原因是,水银柱顶上的压力实际上为零,而柱底的压力则等于大气的气压。

我们常常将大气压用毫米汞柱高度为单位表示。它同帕斯卡有什么关系?

如果我们知道水银的密度,就能建立这两个单位之间的关系。由水银的密度可以求得大气支托的水银柱的重量。将这个重量除以玻璃管的截面积,便可求出单位面积上的力或压力。这样,我们推出 760mm 高的水银柱产生的压力为1.01x10ⁿPa(n=5),称为一个标准大气压。具体计算过程如下:

m水银=ρ水银V=ρ水银xSL

则G水银=m水银g=ρ水银xSLxg

所以有P=G水银/S

=ρ水银xLxg

=13.6x10³x0.76x9.8Pa

=1.0.1×10ⁿPa/m²(n=5)。

做学问的道路上,不会总是一帆风顺,坎坎坷坷肯定难免,但只要你像托里拆利一样,执着专一不放弃,总会有脑洞大开的时候,而困难也就会迎刃而解。

发布于 2025-06-18 09:58
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