再谈决不能用水做托里拆利实验

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  1.提出问题
  由于旧版初二物理P132编有“1标准大气压能支持多高水柱”习题,再加上水银有毒已经禁用,于是便有“假若用水来做托里拆利实验,管长最短需要多少米”等各类型试题,还把它编进5种义教版本教材里。
  针对上述问题和当时某些杂志刊登的相关文章,我们先后在《物理教师》、《中学物理》和《物理通报》三次载文发表建议,但如今仍没引起普教物理界的重视!比如:人教版义教修订本P164的第3题仍保留着:“假如用水来做托里拆利实验,管内水面上方是真空,那么大气压大约能支持多高的水柱”?教参给出的参考答案、并有解题过程是“约为10m”;某版八年级新物理课本P125 1题为:“如果做托里拆利实验时不用水银而用水,玻璃管至少应该多长?通过计算说明,为什么用水银而不用水做托里拆利实验”,教参P210给出参考答案是:“10.336m。……如果用水做托里拆利实验,玻璃管至少长10.34m以上很不方便,而用水银只需0.77m即可”;某版九年级第一学期新物理课本P29〔例题1〕写道:“能否用水代替水银来做托里拆利实验?为什么?〔解答〕……≈10.31m。即大气压强能支持10.31米高的水柱。这就需要用一根比10米还要长的玻璃管来做实验,显然这是很困难的”。特别应该指出:人教版新课本里虽然删掉了此题,但在配套发行的《教学参考视频资料》光盘里,均展示了如下实验:在高处用一台抽气机从一根透明的长管子上端连续抽气、管子下端浸没在一盆红色水里,结果管内红色水柱能够升高到10.10m!这似乎给“用水来做托里拆利实验,管长最短需要10.10m”提供了的证据。试问:大气压果真能够支持10.10m高的水柱,那么常见的离心式水泵,“允许吸上真空高度”怎么仅为“5m”?……
  现借贵刊一角陈述如下浅见,再次期望能够引起普教物理界的足够关注!
  2.实验探索
  多年前我们曾数次实际测得:在大连地区秋末季节里,管内的水柱高通常仅为6~7 m、均未超过8m!原因何在?查表可知:在20℃1标准大气压下,水银的饱和气压仅为0.008mm汞柱高、相当于10-6标准大气压、是可以忽略不计的;而水在上述条件下的饱和气压,竟大到17.54 mm汞柱高、相当于0.2385m水柱高所产生的压强!由此可知用水银来做托里拆利实验,不仅因为它的密度大,还有其饱和气压非常小。应该指出:在用水代替水银做实验的短时间内,管内上方似乎很难形成饱和气压,即使管内上方形成了水的饱和气压,那么在实际测量时,管内还应有2m多高的水柱所产生的压强又由何物来平衡呢?经过漫长的实验探索,我们才揭开了其中的秘密:原来在20℃时、1标准大气压下1个体积的水,能够溶解上述条件下 0.019个体积的空气!即实验前装进管内11 m高的水柱里,竟有20.9 cm空气柱!至今我们尚未查到空气在水银里的溶解度。化学《溶解度》的课文告诉我们:空气在水里的溶解度,是随水面上方气压的降低而减小的。在用水做托里拆利实验时,当管内水面上方气压急剧降低过程中,实验前就溶解在管内水里的空气,究竟有多少会从水中分离出来而跑到管内水面的上方,至今我们也没查到准确答案。生物教学还告诉我们:生命的新陈代谢是离不开氧气的。水里的生物,就是吸收溶解于水中的空气、或水里的绿色植物光合作用时释放出来的氧气的。水中能溶解空气,这是无可争辯的事实!
  3.给出结论
  ⑴托里拆利实验只能准确地测出当时当地的大气压的值!该实验的本身,并非隐含着1个标准大气压!常见解答此题时不看地势高低等对托里拆利实验的显著影响,而把大气压统统视为1标准大气压是毫无道理的!再加上水中能溶解空气,故该题的正确答案应是“无法计算”!
  ⑵托里拆利实验是著名的经典力学实验之一,它的器材和做法等是有特定含义的。该实验的核心,是用汞柱高来表示当时当地的大气压的值。因此不能说“用水来做托里拆利实验”,只能说用水柱高来表示大气压的值!
  ⑶《教学参考视频资料》展示的实验,管内红色水柱完全有可能升高到10.10m、甚至还高些!这是因为从管内水中分离出来的空气和水汽化后的水蒸气,跑到管内水面的上方后将会立即被抽气机抽走,使管内水面的上方始终维持气压极低的空间,该实验跟托里拆利实验的做法是完全不同的!因此它不能给“用水来做托里拆利实验、管长最短需要10.10m”提供任何证据。
  由于饱和气压是旧版高中物理的教学内容、是可以理想化处理的。但脱离初中化学和生物教学内容,人为地去假若管内水面上方是真空,这是违背“尊重事实、严肃认真、按科学规律办事”和“实事求是的科学态度”等教学要求的!
  4.几点建议
  ⑴产生上述问题的主要原因,是新旧所有教科书在叙述“托里拆利实验”的课文里,均漏掉了“在通常条件下”(即不考虑温度、天气和季节等因素对大气压的影响)和“在海平面附近做此实验”(必须“限定地势的高低”)这两个关键条件!误导了人们把“托里拆利实验”跟“760mm汞柱高”和“1标准大气压的值”之间划上等号!据此建议所有版本教材编辑,应该尽快地修改相应的课文!
  ⑵我们过去把此题改说为:“多高水柱产生的压强,相当于1标准大气压的值”?建议今后不再问“1标准大气压能支持多高水柱”、更不要再说“用水来做托里拆利实验”了!
  ⑶为了体现“从生活走向物理、从物理走向社会”和“注意学科渗透”等新课标的基本理念,待学生学完相应的学科知识后,应该开展“探究:用水来做托里拆利实验时,至少应该用多长管子”的课外活动、但决不能采纳《教学参考视频资料》展示的方案!进而发挥该题独特的教育功能。
  ⑷顺便提及:“大气压”是“大气压强”的简称,不能跟“大气压力”相混淆!现行多种版本教材里,均把“大气压力产生的现象”,说成是“大气压作用的结果”是欠妥的。以上谬误难免,敬请各位师长斧正。
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