标准大气压的相关实验

旧时，学术界对空气是否有重量和真空是否可能存在的问题还认识不清，主要是受亚里士多德思想的遗留影响，认为“世间万物之中除了火和空气以外均有各自的重量。”并坚持自然界“害怕真空”的说法。伽利略对此说法表示怀疑，他说：“我们不能相信亚里士多德所说的那样，仅仅认为某物是轻的，某物是重的，而应当认识到所有的物体都有其各自的重量，只不过各有重量大小不同和质地疏密之分而已。”“如果人们凭感觉和理解都还不能认识到真空的存在，那么凭感觉和理解又如何能否认真空的存在呢？”伽利略曾发现，抽水机在工作时，不能把水抽到10米以上的高度，他把这一现象归结为水柱受不了它本身重量之故，再找不到合理满意的解释。
托里拆利坚决赞同伽利略的关于空气有重量和真空存在的说法。在总结前人理论和实验的基础上，托里拆利进行了大量的实验，实现了真空，验证了空气有重量的事实，否定了亚里士多德的关于真空力的说法。
大约在1641年，一位著名的数学家、天文学家贝尔提曾用一根10米多长的铅管做成了一个真空实验。托里拆利受到了这个实验的启发，想到用较大密度的海水、蜂蜜、水银等做实验。他选用的水银实验，取得了最成功的结果。他将一根长度为1米的玻璃管灌满水银，然后用手指顶住管口，将其倒插进装有水银的水银槽里，放开手指后，可见管内部顶上的水银已下落，留出空间来了，而下面的部分则仍充满水银。为了进一步证明管中水银面上部确实是真空，托里拆利又改进了实验。他在水银槽中将其水银面以上直到缸口注满清水，然后把玻璃管缓缓地向上提起，当玻璃管管口提高到水银和水的界面以上时，管中的水银便很快地泻出来了，同时水猛然向上窜管中，直至管顶。由此可见，原先管内水银柱以上部分确实是空无所有的空间。原来的水银柱和如今的水柱都不是被什么真空力所吸引住的，而是被管外水银面上的空气重量所产生的压力托住的。托里拆利的实验是对亚里士多德的力学的最后致命打击，于是有些人便妄图否定托里拆利的研究成果，提出玻璃管上端内充有“纯净的空气”，并非真空。大家各抒已见， 众说纷坛，引起了一场激烈的争论。争论一直持续到帕斯卡的实验成功证实托里拆利的理论后才逐渐统一起来 。
托里拆利在实验中还发现不管玻璃管长度如何，也不管玻璃管倾斜程度如何，水银柱的竖直高度总保持在同一个高度（760mm） ，他还于1644年同维维安尼 合作，制成了世界上第一具水银气压计。
实验介绍
1643年，托里拆利与伽利略的另一个更年轻的学生维维安尼一起在意大利的佛罗伦萨做了著名的“托里拆利实验”。
目的和要求　理解托里拆利实验的原理，了解实验的作法、操作过程和步骤。
仪器和器材
托里拆利实验器（J2116型），水银，1米以上的长玻璃管（或两根玻璃管中间用橡皮管连接），烧杯，红色水。
实验方法：
1．一只手握住玻璃管中部，在管内灌满水银，排除空气，用另一只手的食指紧紧堵住玻璃管开口端，把玻璃管小心地倒插在盛有水银的槽里，待开口端全部浸入水银槽内时放开手指，将管子竖直固定，读出水银柱的竖直高度。
2．逐渐倾斜玻璃管，管内水银柱的竖直高度不变。
3．继续倾斜玻璃管，当倾斜到一定程度，管内充满水银，说明管内确实没有空气。
4．用内径不同的玻璃管和长短不同的玻璃管重做这个实验（或同时做，把它们并列在一起对比），可以发现水银柱的竖直高度不变。说明大气压强与玻璃管的粗细、长短无关。
5．将长玻璃管一端用橡皮塞塞紧封闭，往管中注满红色水，用手指堵住另一端，把玻璃管倒插在水中，松开手指。观察现象并提问学生：“如把顶端橡皮塞拔去，在外部大气压强作用下，水柱会不会从管顶喷出？”然后演示验证，从而消除一些片面认识，加深理解。
托里拆利实验
注意事项：
1．说明托里拆利真空的存在，是实验的关键，只有这一点成立，才能得出“水银柱的压强等于大气压强”。
2．水银有剧毒，对人体非常有害，要特别注意安全操作。玻璃管要选管壁较厚、内径较小的。操作时要避免碰撞和晃动，严防管子折断。切不可将水银散失在教室里。灌水银时最好用注射针筒或用细颈尖口的漏斗，下面用大塑料盒（搪瓷盆）垫上，以防水银溅落在地。右手食指如有伤口，绝对不能带伤口操作，可用胶皮手指套保护食指。如水银万一溅落在地，要设法收集，无法收集时，可撒硫磺粉使之硫化，然后收集埋掉，并打开窗户通风。
3．要减少实验误差，必须注意：①玻璃管、水银槽必须清洁、干燥，不能有灰尘、杂质和水分。②水银必须清洁，如混入尘埃杂质，或溶有其他金属生成汞齐而附在玻璃管内表面，会使读数不精确，影响效果。③灌水银时和灌后倒置水银槽中都不能混入空气。可用一根纱包线或漆包线一直通到玻璃管底部，灌水银时，不时地上下拉动纱包线，使气泡跟着排出。
4．托里拆利实验是定量测量大气压强值的重要实验，教师要认真准备，操作要规范，给学生作出表率。要教会学生读数和观察的方法：如米尺的起点线与槽内水银面凸面要处于同一水平线上；读数时，视线应与水银面、刻度线在同一水平线上等。 马德堡半球实验（德语：Magdeburger Halbkugeln），亦作马格德堡半球实验，是1654年时，当时的马德堡市长奥托·冯·格里克于罗马帝国的雷根斯堡（今德国雷根斯堡）进行的一项科学实验，目的是为了证明真空的存在。而此实验也因格里克的职衔而被称为“马德堡半球”实验。当年的进行实验的两个半球仍保存在慕尼黑的德意志博物馆中。现时也有供教学用途的仿制品，用作示范气压的原理，它们的体积也比当年的半球小得多，把半球的空间抽真空，不需再用十多匹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，四个马夫牵来十六匹高头大马，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！好像在“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，16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！……”
原理
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．好像没有大气作用似的．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，格里克市长竟只花费了4000英镑．
社会评价
今天，人们可以在慕尼黑的德意志博物馆看到这个实验的原始“设备”，也就是那两个半球。世纪之交时，马德堡市在当时的德国园林博览会场地内建起了一座“千年塔”，里面也放了两个半球，以纪念格里克，不过是复制品了。
为了纪念这位老市长，马德堡人在老市政厅旁的小广场上竖起了他的雕像，还用他来为年轻的马德堡大学命名。
结论
马德堡半球实验证明：大气压力是非常强大的。实验中，将两个半球内的空气抽掉，使球内的空气粒子的数量减少， 下降。球外的大气便把两个半球紧压在一起，因此就不容易分开了。抽掉越多，压力越大。