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正名真空力！
―――－托里拆利实验研究新发现！ 【内容提要】 传统理论认为托里拆利实验中的汞柱高度是因为大气压强的作用存在而形成的，可是作者最新通过实验发现：真正决定汞柱高度的并不是大气压强而是该实验当中水银槽内的水银高度，继而作者还发现，真空具有一种力学属性和力学效应，也正是真空的这种力学属性和力学效应才形成了托里拆利实验当中的汞柱高度现象，真空力才是拖里拆利实验中汞柱高度形成的真正因素。 【关键词汇】 施力物 真空抽力 大气压强 受力物 唯一因素 力学效应 【本文作者】 张哲 男 30岁 【联系方式】 陕西 西安 【电子信箱】 yangxzh9578@sina.com 大约在公元前460-370年间，在西方当时有一位大哲学家叫德莫.克利特的人，他认为世界的本源应是由原子和虚无组成且原子在虚无中做永恒的运动。但是他这一观点却遭到大约生活在公元前384-322年间的另一位大科学家亚里士多德的强烈、彻底的反对和排斥。亚里士多德认为，真空绝不可能存在，因为空间必须有物质性才能相互作用，所以空间决不会虚无到没有任何物质存在，而空间必须是一个有作用存在的连续的物质实体，这就意味着德莫.克利特的原子论失去了其应有的基础，即原子根本不存在。由于亚里士多德和德莫克利特二人的观点截然相反又都是当时的权威人士，故此二人的观点在以后的几千年里逐渐形成了两个完全不同的派系，这两个派系之间的争吵一直延续到公元十七世纪。 十七世纪的西方由于文艺复兴和工业革命使得社会发展迅猛，特别是工业革命促使西方各国经济发展迅速，蒸汽机的发明和广泛应用促使煤矿业也迅猛发展，社会对煤炭的需求大大增加。由于当时生产力的限制，挖煤、采矿主要依靠人力维持，技术的落后使得矿井中经常漏雨渗水，使得矿井内积水成灾事故频繁发生，严重阻碍了煤矿业的正常发展，于是有人发明了抽水泵用它来排除矿井中的积水，就在使用水泵过程当中工程师们就发现了一个奇怪的现象，无论如何改进抽水机的设备和精度都无法将水抽到10米以上的高度，这个奇怪的问题一直困绕着当时的工程师们，在百思不得其解的前提下便有人带着这个问题去请教当时的著名科学家伽利略。这个问题也引起了伽利略的高度兴趣但当时的伽利略已经年迈多病没有精力去研究这个问题，便把这个问题交给了他的一个学生拖里拆利，并提示他如果水有这么一个高度限制，那么其它液体也一定有一个类似的高度限制，并且其液体密度越大则高度越低。于是拖里拆利按照这个提示思路展开了这方面的研究工作。与此同时，原子论在理论界逐渐壮大起来，因此主观上承认真空客观存在得人也逐渐多了起来。 在公元1640年，以数学家、天文学家辈尔梯为代表的真空论者，进行了一个通过“制造一个真空”来证明真空的客观存在性的实验过程，实验思路是这样的，他们给一个大约10米高的铅管上端带有塞子的玻璃钟罩里注满了水，然后放在墙角并给下端堵上一个塞子后放在一个装满水的木桶里，然后再打开了下端的塞子，预想水在重力作用下会下流到铅管下的木桶中，而铅管中的水柱上方就会空缺一个空间，这空缺的那部分不就是真空了吗？但实验结果却是最终什么也没有发生变化，实验遭到失败而没有达到他们所预期的目的。后来此事被托里拆利得知后并按照伽利略的提示将水改为水银、将铅管改为玻璃管后成功的进行了以他的名字命名的著名实验即托里拆利实验。 实验的过程是这样的，（如上左图所示）他们在一根一米长且一端开口的玻璃管里灌满汞，把开口的一端塞住后倒立在一个事先盛有若干汞液的玻璃槽中，（特别注意：是把一根一米长且把开口端倒立在一个事先盛有若干汞液的玻璃槽中）然后松开管口，这时汞开始从玻璃管子内部流到玻璃槽内里，但当管内汞柱面降低到比槽内汞液面高出760毫米时，汞柱就不再从管里流出而呈现出一个760毫米高的汞柱高度。 关于托里拆利实验中为什么会出现一个760毫米高的汞柱现象，大气压论者解释认为：导致这个实验过程中汞柱高度的形成最终原因是由于管内是真空即大气压为零而管外、槽内汞液面以上的大气具有重量，正是这个管内、管外的空气重量差导致了实验过程中的汞柱现象，并且还认为大气压强是实验过程中的汞柱现象产生的唯一因素，也就是说大气压论者认为：对玻璃管内汞柱产生作用的施力物是玻璃管外的空气重力，而受力物自然就是玻璃管内的汞柱了。 首先我们得了解这么一个问题，为什么这么一个普通的汞柱高度会引起人们这么多的关注和重视呢？众所周知，在现实生活中凡是同一种液体在液体自身产生高度差的状况下由于受到重力的作用都会相应的发生流动即位移现象，直至高度差现象消失为止后液体流动即位移现象也随之消失，此时液体就呈现一种平衡的静止状态。（如左图所示）当AB玻璃管内装满任何同一种液体后在重力的作用下就会全部流入它下面的玻璃槽内，即使人为的给玻璃槽内实现放入若干液体玻璃管内的液体也依然会全部流出管子内部而流入玻璃槽内的空间，这是人们司空见惯的一种自然现象，对此现象人们已经非常的熟悉和熟知了，故此并不感觉到具有任何的异样和好奇。 但是在托里拆利实验中，人们发现这个人们司空见惯的自然现象不复存在了，代替它的却是管内液体保持着一个相对稳定的状态。为什么托里拆利实验中的实验现象不符合日常生活中自然现象和自然规律呢？是什么作用导致了这个实验中的液柱能够一反常态保持着一个相对稳定的状态？正是这个实验中的液柱高度现象背后的形成原因引起了人们的高度重视，同时也引起了人们无穷无尽的热情和兴趣。 大气压强到底是不是导致托里拆利实验中的汞柱高度形成的最终的唯一原因的原因呢？为什么实验过程中只采用了一米长的玻璃管？为什么事先要在玻璃槽中盛有若干的汞液？玻璃管的长度和槽中的水银量与那个汞柱之间有没有关联和关系呢？下面我们详细的、系统的论证、寻找一下导致托里拆利实验中的汞柱高度形成的真正原因。 要想了解那个汞柱形成的真正原因，我们必须首先得熟悉一下一个与我们的日常生活密切相关的容器——连通器的原理和作用机制。（如左上图，左上图是一种“U”型玻璃连通器）所谓连通器就是指底部相连上部可有两个或者两个以上端口的容器，连通器最大的特性就是当容器内装有同一种液体时各个端口内的液面都将保持在同一个高度之上，利用连通器这个特性人们制造了锅炉水位计、牲口饮水器、船闸等。 连通器在日常生活中司空见惯、比比皆是，人们也不足为奇，连通器的这种特性在理论上也非常容易理解、也非常容易证明，如图，在容器最低处E点上左边压强等于大气压强P0与AE液柱压强Pae之和，容器最低处E点上右边压强等于大气压强P0与BE液柱压强Pbe之和，由于大气压是同一个大气压；AE液柱高度＝BE液柱高度，所以AE液柱压强Pae等于BE液柱压强Pbe；用公式表示连通器E点的压强就是PE左＝P0＋Pae；PE右＝P0＋Pbe；由于P0＝P0，Pae＝Pbe；所以PE左＝PE右。于是我们就得出一个结论：凡是连通器其底部最低处的压强均等相同。 利用连通器即连通器的这种特性，我们就可以找出托里拆利实验过程中汞柱高度产生的真正原因。我们把托里拆利管密封到左上图连通器的一个端口上，就形成了如左下图所示的一个“J”型玻璃容器，根据连通器的压强公式和大气压理论“J”型玻璃容器最低处E处，PE左＝P0＋Pdc; PE右＝P0＋Pac；由于PE右的P0＝0；Pdc＝Pbc;所以PE左＝P0；PE右＝Pab; 又由于PE左＝PE右所以我们可以得出：P0＝Pab；也就是说当“J”型玻璃容器中充满水银后管AB中的水银柱高度所产生的压强就等于大气压的压强。 按照大气压理论由于大气压是玻璃管内的汞柱高度的施力物所以只有当“J”型玻璃容器左端上方的大气压强发生变化时右端的玻璃罐内的汞柱高度才会发生相应的变化，也就是说，当大气压减小为零时“J”型玻璃容器内的汞柱高度就降低到B点出与D点处汞液相平衡，此时的“J”型玻璃容器也就是另一种形状的连通器，事实是不是这样的呢？让我们再来看一下面这个实验事实！ 我们把“J”型玻璃容器放置在一个玻璃钟罩内，如左图所示，将玻璃种罩内的空气用抽气机抽至真空状态即零气压状态下，我们会发现“J”型玻璃容器内的汞柱高度依然存在只是略微有些变化，这个变化我们完全可以忽略不计。 从这个实验中我们可以得出这么一个结论：“J”型玻璃容器内的汞柱高度并不随着大气压强的变化而变化，也就是说大气压并不是“J”型玻璃容器内的汞柱高度的施力物，“J”型玻璃容器内的汞柱高度并没有受到来自大气的作用力，即大气压强并不是玻璃管内汞柱高度产生的主要原因，而大气压强充其量只是一个影响因素而绝非决定性因素，更不是唯一因素。 既然我们排除并否定了大气压强是玻璃管内汞柱高度的主要因素，那到底是什么因素导致了玻璃管内的汞柱高度现象呢现象呢？那就请您继续关注下面这个实验现象。 左下图也是一个“J”型玻璃容器，所不同的是左下图这个“J”型玻璃容器与左上图的“J”型玻璃容器唯一区别就是他们的下方的“U”型玻璃连通器的大小和高度不一样。左上图的“U”型部分的高度是0.1米，而左下图“U”型部分的高度是1米，后者的高度是前者高度的十倍，下面我们分别采用“J”型玻璃容器“U”型部分高度大小分别为0.1米和1米的玻璃容器重新做托里拆利的实验过程，我们就会发现：“J”型玻璃容器上半部分即托里拆利管内的汞柱高度在左半部分大气压强不变的前提下随着“U”型玻璃连通器的大小高度的变大而升高，随着“U”型玻璃连通器的大小高度的变小而降低。这可是一个非常具有价值的实验现象，它有力地证明了、也说明了托里拆利实验中水银槽内的水银量是玻璃管内的汞柱高度产生的主要和重要的因素，即水银槽中的水银高度是玻璃管内汞柱高度形成的决定性的、不可或缺的、重要一个因素。 这样一来自然而然就会产生另外一个问题，那就是为什么同一个形状的“J”型玻璃容器两端都开口的玻璃容器内的汞液不会发生高度差现象？而同样都是“J”型玻璃容器低端开口、高端不开口的玻璃容器内的汞液就会发生高度差现象呢？这也就说明前者的“J”型玻璃容器中相比较后者的“J”型玻璃容器中缺少了导致实验中汞柱高度现象产生的一个重要的因素。 这个重要因素是什么呢？通过比较我们不难发现：前者的“J”型玻璃容器中比较后者的“J”型玻璃容器中独独缺少了“真空”这么一个部分，也就是说：前者的“J”型玻璃容器和后者的“J”型玻璃容器他们唯一的差别就是有没有真空存在其中。 难道真空才是实验当中汞柱高度产生的重要因素？真空，观察其表面只不过是一个空空如也的空间，它如何会又何以能对实验中玻璃管内的汞柱产生力学作用呢？难道真空具有力学中的作用力？真空，一个空空如也的空间，到底有没有力学作用呢？事实胜于一切雄辩，还是让事实来证明这一切吧！再让我们来看两个实验现象。 第一个实验现象，如左图所示，左图是托里拆利实验示意图，图中玻璃管内装有汞液，槽中依然装有汞液，我们这个实验略微改动一下这个实验，管内依然装汞液，我们只把槽内的汞液更改为液体水，实验步骤不变，结果我们会发现：当我们松开玻璃管口以后，管内汞柱全部降落在水槽内部汞柱消失了，更为不同和惊奇的是，当汞柱全部降落在水槽內并完全消失的那一瞬间，槽内的水却急速向上涌入整个玻璃管内形成一个全新的水柱高度现象。 众所周知，在现实生活当中由于受到地球引力的作用，在地球上所有物体都会受到重力的作用具备滑向地心的倾向，故尔要克服重力向上运动必须具有克服重力的作用力存在，那么在这个实验当中是什么作用力导致了水克服了重力的作用向上运动呢？ 大气压论者认为：当玻璃管内的汞柱全部降落在水槽中后，由于管内是真空同玻璃管外相比较大气压为零，而玻璃管外是几千米上万米的空气层和空气重量，正是这个空气重量所产生的重力压迫水槽内的水进入玻璃管内最终形成了那个全新的水柱现象。也就是说对这个水柱施加作用力的施力物正是玻璃管外的、水槽内水面以上的大气压强。事实真的就是这个样子的吗？ 按照大气压理论，空气重量是水柱形成的主要的、唯一的因素，即空气重量是针对水槽内的水的施力物，那么只要我们“剔除”掉这个施力物那么就绝对不会再产生或者形成那个全新的水柱高度现象，反之如果我们“剔除”掉这个施力物后水柱高度现象依然成立，那么则证明大气压理论所认为的：空气重量是水柱形成的主要的、唯一的因素，即空气重量是针对水槽内的水的施力物这个观点是错误的最起码是不全面的。事实到底是怎么样子的呢？下面让我们再来看看下面这个实验。 我们把托里拆利实验全过程和上个实验全过程全部安放在同一个真空实验室内操作，看一看在没有大气压这个施力物的前提下实验结果会是一个什么样子的结果？ 在真空室内即在没有大气压存在的前提下，托里拆利实验现象中的汞柱高度在没有施力物存在的前提下依然可以存在；在上个实验现象中的水柱倒流现象也在没有施力物存在的前提下依然可以倒流！！！ 这两个实验现象的存在和发现，有力地证明了真空具有力学作用的同时也有力地证明了大气压强并不是托里拆利实验中汞柱高度现象存在的主要原因，更不是大气压论者所认为的唯一原因。 从上文中我们已经可以清晰地看出：其实托里拆利实验中的汞柱高度总共受到三个力的作用，第一个力是大气压力；第二个力是真空抽力；第三个力是水银浮力，正是这三个力与那个水银柱的重力平衡才最终形成了托里拆利实验中的汞柱高度现象的存在，其中水银浮力和真空抽力是必要的决定性因素，而大气压强则是影响因素可有可无。 作者注：本文章并不是在否定大气具有重量继而具有一定的压强，更不是在否定气体在受到压缩以后所具有的膨胀力和其压强；而是主要极力地在否定把大气压强和托里拆利实验中的汞柱高度现象联系在一起并称之为“唯一”这个结论。 声明：本文作者对这篇文章内容依法享有其和著作权等有关的一切权益！除用作学术讨论、研究商榷外，（学术讨论、研究商榷也必须声明其出处和本文作者）任何个人和任何单位不得私自借用或者占有本文作者所述的观点和记叙内容、更不能用作商业用途，一经发现有人未署名其出处和本文作者而阐述本文观点者一律视为剽窃侵权行为，本文作者将依法维护自己的合法权益。 参考文献： 《科学中国人》科学中国人出版社出版 李宝恒主编。 《物理学史》科学技术出版社出版 1961年出版 古和良 主编。 《科学发展史》人民出版社出版 1956年出版 柴五洲 主编。 《物理通报》物理通报杂志社出版 杨国琛 主编。 《现代物理知识》科学出版社出版 郁忠强 主编。 《世界科学》世界科学杂志出版社出版 夏禹龙 王洋 李健民主编。 《飞碟探密》甘肃科学技术出版社出版 王郁明 主编。 《物理教师》物理教师杂志社出版 朱士群 主编。 《天文爱好者》天文爱好者杂志社出版 崔石竹 主编。 《物理实验》物理实验杂志社出版 孙景春 主编。 《科学》科学杂志出版社出版 王世德 主编。 完成作者：张 哲 完稿时间：2004.3.28 修订时间：2006.7.31 |