大氣壓
大 氣 壓 教 案
港區(qū)初級(jí)中學(xué) 茅振宇
一、 提出猜想
上一章我們學(xué)習(xí)了液體的壓強(qiáng)，知道了液體由于受到重力作用會(huì)對(duì)容器底產(chǎn)生壓強(qiáng)，同時(shí)由于具有流動(dòng)性，使得液體向各個(gè)方向都有壓強(qiáng)。那空氣呢？（眾所周知，我們賴以生存的地球周圍被厚厚的空氣層包圍著，包圍地球的空氣層又叫做大氣層，我們就生活在大氣海洋的最底層。）這里我想請(qǐng)問(wèn)：空氣有無(wú)重力？
答1：有。
[若無(wú)人回答，可以試著從空氣具有密度角度引導(dǎo)（空氣有無(wú)密度？（有）那空氣有無(wú)質(zhì)量？有無(wú)重力（有）]
問(wèn)：原來(lái)空氣具有重力，這點(diǎn)與液體相似。那么我再想問(wèn)，空氣是否還與液體一樣具有流動(dòng)性呢？
答：有。
總結(jié)：既然空氣與液體一樣，即具有重力又有流動(dòng)性，那么是否空氣也具有壓強(qiáng)呢？如果空氣存在壓強(qiáng)，這個(gè)壓強(qiáng)又有多大呢？這就是今天我們所要共同研究的問(wèn)題。
二、 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（學(xué)生）得出結(jié)論
1、 學(xué)生上臺(tái)演示實(shí)驗(yàn)并驗(yàn)證猜想
在課前我已經(jīng)布置同學(xué)們回去思考這一問(wèn)題，也鼓勵(lì)大家試著通過(guò)利用身邊的器材設(shè)計(jì)一些實(shí)驗(yàn)，去證實(shí)一下空氣是否具有壓強(qiáng)，不知你們做的情況如何？得出結(jié)論了嗎？我看到有部分同學(xué)將實(shí)驗(yàn)器材都帶來(lái)了，那我們不妨就請(qǐng)這些同學(xué)上來(lái)向大家說(shuō)說(shuō)他們實(shí)驗(yàn)的情況以及其中的思考。
實(shí)驗(yàn)1：“覆杯實(shí)驗(yàn)”
做法：①在下端開(kāi)口的礦泉水瓶底放上一塊硬紙片，將裝置倒置過(guò)來(lái)后發(fā)現(xiàn)硬紙片會(huì)下落；②如果在下端開(kāi)口的礦泉水瓶里注滿水后用硬紙片將開(kāi)口封住，迅速將裝置倒置過(guò)來(lái)，發(fā)現(xiàn)紙片并未落下。
思考：兩次實(shí)驗(yàn)的不同之處在于前者瓶里沒(méi)有水，有的是空氣，而后者瓶里充滿著水。兩次結(jié)果的不同之處應(yīng)是源于這個(gè)原因。后來(lái)我們認(rèn)為只有用大氣存在壓強(qiáng)這一說(shuō)法才能解釋。正是由于大氣壓的作用將紙片壓在杯口，使得紙片無(wú)法掉落。第一次實(shí)驗(yàn)中由于瓶?jī)?nèi)也有空氣，這樣就會(huì)使內(nèi)外壓強(qiáng)相互抵消，紙片由于自身重力就會(huì)下落。這個(gè)實(shí)驗(yàn)充分說(shuō)明了大氣存在壓強(qiáng)。
實(shí)驗(yàn)2：“筆管提水”
做法：取一只兩端開(kāi)口的塑料筆管完全浸沒(méi)于水中，在水下用一只手指堵住其中的一端后將整個(gè)裝置提起，會(huì)發(fā)現(xiàn)管內(nèi)的水不會(huì)下落。當(dāng)將手指松開(kāi)后，管內(nèi)的水就會(huì)自由下落。
思考：雖然我們看不見(jiàn)管口有物堵住它，但在管口四周存在著空氣。我們認(rèn)為，這些空氣起到了手指的作用，堵住了管口，使筆管內(nèi)的水能呆在里面。這說(shuō)明這些大氣對(duì)管底的水柱有向上的壓強(qiáng)，支撐著水柱。當(dāng)松開(kāi)左手食指后，由于上端管口進(jìn)入了空氣，從而使得上下大氣壓相互抵消，水由于自身的重力而下
實(shí)驗(yàn)3：“吞蛋實(shí)驗(yàn)”
做法：在廣口瓶中放入一些沙子，將燃著的酒精棉花放入廣口瓶中，這時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)塞在瓶口的雞蛋被迅速地吞入瓶中。
思考：一方面酒精棉花燃燒需要消耗瓶中的氧氣，另一面瓶?jī)?nèi)氣體隨著溫度的升高大部分被擠出瓶外，這是雞蛋就會(huì)被外界大氣壓強(qiáng)的作用壓了下去。這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明大氣存在壓強(qiáng)。
實(shí)驗(yàn)4：“被空氣壓扁的易拉罐”
做法：在空的易拉罐里注入少量的水后將此裝置放于酒精燈上加熱直至里面的水沸騰。然后迅速的將酒精燈熄滅同時(shí)用事先準(zhǔn)備好的面粉團(tuán)將易拉罐口堵住。馬上就能看見(jiàn)易拉罐被壓癟了，同時(shí)伴有“劈啪”的聲音。
思考：我們認(rèn)為這也是大氣壓強(qiáng)的作用。在用酒精燈對(duì)罐內(nèi)的水加熱的過(guò)程中，罐內(nèi)的空氣由于受熱膨脹從而被大部分的擠出。（當(dāng)罐內(nèi)的水沸騰，將易拉罐從酒精燈上撤走后，罐內(nèi)剩余的氣體就會(huì)冷卻收縮），從而使外界大氣壓大于罐內(nèi)氣體壓強(qiáng)，于是鐵罐被壓扁了。這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明大氣存在壓強(qiáng)。
2、 得出大氣壓的相關(guān)結(jié)論（存在、產(chǎn)生原因、壓強(qiáng)的方向）
（1）大氣存在壓強(qiáng)：這四組同學(xué)通過(guò)實(shí)驗(yàn)都向我們證實(shí)了關(guān)于大氣存在壓強(qiáng)這一猜想的正確性，使我們相信了大氣壓強(qiáng)確實(shí)是存在的。我們賴以生存的地球周圍被厚厚的空氣層包圍著，包圍地球的空氣層又叫做大氣層，我們就生活在大氣海洋的最底層。大氣對(duì)浸在里面的一切物體均具有壓強(qiáng)。這種由空氣施加的壓強(qiáng)叫做大氣壓強(qiáng)，簡(jiǎn)稱大氣壓。（注意：大氣壓是大氣壓強(qiáng)的簡(jiǎn)稱，不是大氣壓力的簡(jiǎn)稱）
（2）大氣壓產(chǎn)生的原因：大氣壓強(qiáng)產(chǎn)生的原因與液體相類似，是由于大氣具有重力而產(chǎn)生的。
（3）大氣壓的方向：
問(wèn)：剛才做“覆杯實(shí)驗(yàn)”時(shí)，那位同學(xué)將杯口朝下發(fā)現(xiàn)紙片并未脫落，說(shuō)明大氣壓強(qiáng)是向著什么方向作用的。
答：向上作用的。
問(wèn)：在做“被空氣壓扁的易拉罐”實(shí)驗(yàn)中易拉罐癟了下去，而且是罐的四周都癟了下去，這說(shuō)明大氣壓從什么方向作用在易拉罐上的？----成功就說(shuō)。
答：說(shuō)明大氣壓強(qiáng)的方向與液體壓強(qiáng)的方向一樣，也是朝向各個(gè)方向的。
3、 運(yùn)用所學(xué)大氣壓知識(shí)解釋現(xiàn)象
問(wèn)：我們通常說(shuō)的吸飲料。飲料真的是被吸上來(lái)的嗎？
師：這兒有兩瓶飲料（一瓶敞口，一瓶塞有橡皮塞），我們分別請(qǐng)一位男同學(xué)和一位女同學(xué)上來(lái)嘗嘗它們的味道。
現(xiàn)象：一個(gè)吸的輕松自如，一個(gè)用力吸卻一滴也沒(méi)有吸到
問(wèn)：為什么會(huì)產(chǎn)生這樣的差異？（提醒學(xué)生注意兩次實(shí)驗(yàn)條件的差異）
答：后者的瓶口有活塞。
問(wèn)：為什么這一裝置上的不同就會(huì)造成最終結(jié)果的巨大差異呢？
答：女同學(xué)用嘴吸吸管時(shí)，吸走的管內(nèi)的空氣，而瓶口又沒(méi)有被塞子塞住，這樣瓶中的水就會(huì)在管外大氣壓的作用下在吸管內(nèi)上升；而男同學(xué)使用的瓶子由于在瓶口被塞子塞住，所以外界大氣壓無(wú)法作用在液面上，從而無(wú)法將液體壓進(jìn)吸管內(nèi)，因此半滴也吸不到。
追問(wèn)：通過(guò)這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，你們認(rèn)為飲料真的是被“吸”上來(lái)的嗎？
答：不是。是被大氣壓壓上來(lái)的。
三、 馬德堡半球?qū)嶒?yàn)
1、總結(jié)和引入：通過(guò)同學(xué)們的實(shí)驗(yàn)以及由此引發(fā)的思考，我們了解到了大氣具有壓強(qiáng)。其實(shí)關(guān)于大氣是否存在壓強(qiáng)這一猜想早在十七世紀(jì)科學(xué)家們就對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行過(guò)研究。歷史上有一個(gè)證明大氣存在壓強(qiáng)的著名實(shí)驗(yàn)，你們是什么嗎？
答：馬德堡半球?qū)嶒?yàn)
問(wèn)：哪位同學(xué)對(duì)這段歷史比較熟悉，不妨向大家說(shuō)說(shuō)這個(gè)非常有趣的故事？
學(xué)生敘述。
2、課件演示
師：**同學(xué)繪聲繪色的描述使我們似乎回到了1654年。下面我們通過(guò)觀看一段動(dòng)畫(huà)，視覺(jué)上再次感受一下當(dāng)時(shí)的情景。（分拉兩個(gè)半球的馬匹從2匹增加到4匹、8匹，直至16匹，直到“啪”的一聲，把兩個(gè)半球分開(kāi)）
3、學(xué)生分組體會(huì)
師：同學(xué)們?cè)诼?tīng)了故事，看了動(dòng)畫(huà)后各個(gè)都躍躍欲示的。是不是想親自體會(huì)一下大氣壓的巨大。這就滿足你們的心愿�？吹阶郎系囊粚�(duì)皮碗了嗎？可以用它來(lái)模擬當(dāng)時(shí)銅制的半球。沒(méi)有抽氣機(jī)，怎么辦？
答：用手將皮碗內(nèi)的空氣擠出。
學(xué)生實(shí)驗(yàn)
四、大氣壓強(qiáng)有多大？
引入：馬德堡半球?qū)嶒?yàn)讓世人親眼見(jiàn)到了大氣壓的巨大，同學(xué)們剛才也都親自體會(huì)到了這一點(diǎn)，那么大氣壓到底有多大呢？如何測(cè)量呢？
（一） 托里切利實(shí)驗(yàn)的構(gòu)想初衷（結(jié)合實(shí)驗(yàn)和幻燈）
師：同學(xué)剛才在做“覆杯實(shí)驗(yàn)”時(shí)對(duì)紙片沒(méi)有下落的解釋是：由于有大氣壓強(qiáng)的作用將紙片壓在了杯口。你們對(duì)此解釋難道沒(méi)有疑惑嗎？這樣的解釋完整嗎？硬紙片只受到大氣壓強(qiáng)的作用嗎？
答：不完整。硬紙片并非只受大氣壓的作用，它上放的水柱對(duì)其也有壓強(qiáng)的作用。之所以沒(méi)有下落，是因?yàn)榇髿鈱?duì)紙片向上的壓強(qiáng)大于水柱對(duì)其向下的壓強(qiáng)。
問(wèn)：誰(shuí)能根據(jù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)給你的靈感，設(shè)計(jì)一個(gè)理論上成立的測(cè)量大氣壓強(qiáng)值的方法？
答：換用足夠長(zhǎng)的杯子，使托起的水柱最高時(shí)水柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)就等于外界大氣產(chǎn)生的壓強(qiáng)了。
師：非常好。他想到了利用平衡的知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)出來(lái)間接測(cè)量和計(jì)算大氣壓的方法。這一思想我們?cè)谝郧暗膶W(xué)習(xí)中已經(jīng)不止一次的應(yīng)用過(guò)。比如在用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量物體所受的重力，在物體靜止時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)是不是直接就是物體的重力？
答：不是，而是物體受到拉力的示數(shù)。
追問(wèn)：那為什么彈簧秤的示數(shù)我們認(rèn)為就是物體受到的重力那？
答：因?yàn)榇藭r(shí)物體受到的重力與拉力彼此平衡。
問(wèn)：又如在研究影響滑動(dòng)摩擦力因素的實(shí)驗(yàn)中，我們拉動(dòng)彈簧使木快在木版上做勻速直線運(yùn)動(dòng)，此時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)是直接測(cè)量摩擦力的嗎？
答：不是。彈簧測(cè)力計(jì)其實(shí)測(cè)的是與摩擦力平衡的拉力。
總結(jié)：同樣在這里，同學(xué)想到了利用這一方法來(lái)間接的測(cè)出大氣壓的值。即當(dāng)硬紙片拖起的水柱最高時(shí)水柱對(duì)紙片的壓強(qiáng)在數(shù)值上就等于外界的大氣壓強(qiáng)。在理想狀況下我們可以用增長(zhǎng)玻璃杯的長(zhǎng)度來(lái)增加水的高度，但是現(xiàn)實(shí)情況下卻并不可行，因?yàn)闆](méi)有這么長(zhǎng)的玻璃杯。那怎么辦呢？
答：可以換用密度較大的液體代替水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
追問(wèn)：理由是什么？
答：根據(jù)液體壓強(qiáng)的計(jì)算公式p=ρgh，壓強(qiáng)一定時(shí)，液體的密度越大，深度h就越小。
師：很好！某某同學(xué)的想法和加利略的學(xué)生托里切利不謀而合，托里切利正是選用了液體中密度很大的水銀來(lái)進(jìn)行測(cè)量大氣壓的實(shí)驗(yàn)的，成為最先測(cè)出大氣壓強(qiáng)數(shù)值的科學(xué)家。
（二） 托里切利實(shí)驗(yàn)的具體做法（課件）
1、說(shuō)明：由于汞蒸氣有毒，因此無(wú)法在課堂上演示，我們就借助于課件共同來(lái)看一下實(shí)驗(yàn)的過(guò)程。
實(shí)驗(yàn)敘述1：在長(zhǎng)約1m，一端封口的玻璃管里灌滿水銀，
問(wèn)：為什么要灌滿水銀？
答：這是為了排開(kāi)玻璃管內(nèi)的空氣。
實(shí)驗(yàn)敘述2：將管口堵住，然后倒插在水銀槽中，放開(kāi)堵管口的手指后，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)的水銀面下降一些就不在下降了。
問(wèn)：管內(nèi)水銀下降的原因是什么？
答：是由于水銀柱對(duì)水銀槽上表面的壓強(qiáng)大于外界對(duì)水銀槽上表面的壓強(qiáng)。
問(wèn)：水銀下降之后，在管內(nèi)水銀柱的上方是否有空氣？
答：沒(méi)有。
追問(wèn)：為什么沒(méi)有？
答：因?yàn)殚_(kāi)始注水銀時(shí)已經(jīng)將管內(nèi)的空氣全部排走了。
強(qiáng)調(diào)此時(shí)上方是真空
問(wèn)：水銀面為什么在下降了一些后又不再下降了。（管內(nèi)水銀柱最終不再下落是靠誰(shuí)托住了它？）
答：因?yàn)榇藭r(shí)水銀槽外的大氣壓支撐著玻璃管內(nèi)一定高度的水銀。
師：此時(shí)管內(nèi)的水銀不再下降，同時(shí)水銀槽內(nèi)的水銀也不再增加，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因就是同學(xué)們所說(shuō)的此時(shí)水銀柱產(chǎn)生壓強(qiáng)在大小上等于外界大氣作用在水銀面的壓強(qiáng)。
實(shí)驗(yàn)敘述3：用刻度尺測(cè)得此時(shí)管內(nèi)水銀柱的高度是76cm，也就是760mm。
2、結(jié)合幻燈片在理論上理清思路
（1）根據(jù)液體壓強(qiáng)特點(diǎn)，在同一深度液體向各個(gè)方向的壓強(qiáng)相等，因此大氣作用在水銀槽上方向下的壓強(qiáng)等于同一深度處水銀槽內(nèi)的水銀作用在此處向上的壓強(qiáng)（如幻燈片所示），根據(jù)平衡的知識(shí)，
p=p大氣。
（2）請(qǐng)你們根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)動(dòng)筆算算，大氣壓強(qiáng)到底有多大。（強(qiáng)調(diào)是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）
（三）具體大氣壓的概念
師：1.01×105到底有多大呢？人的手掌面積約為50cm2，下面就請(qǐng)大家計(jì)算一下：大氣壓作用在手掌上的壓力有多大？
答：500N。
師：相當(dāng)于一個(gè)質(zhì)量為50kg的人站在你手掌上產(chǎn)生的壓力。
追問(wèn)：這么大的壓力，可是為何你感覺(jué)不到呢？
答：作用在手掌上下的大氣壓強(qiáng)相互抵消了。
師：這個(gè)也說(shuō)明大氣壓是朝向各個(gè)方向的。
（四）想想議議
問(wèn)：我們置身于大氣海洋中，既然大氣壓強(qiáng)如此之大，為什么我們感覺(jué)不到它呢？
答：人體內(nèi)部（肺部）也存在壓強(qiáng)，這樣內(nèi)外相通，壓強(qiáng)互相平衡了。當(dāng)然還有就是長(zhǎng)期以來(lái)人們已經(jīng)習(xí)慣這樣的環(huán)境了。
（五） 如果在做托里切利實(shí)驗(yàn)時(shí)，將玻璃管傾斜放置，結(jié)果會(huì)怎樣。（強(qiáng)調(diào)h的起始點(diǎn)是從水銀槽的水銀面的上方。）
（六） ：如果在做托里切利時(shí)，在保證管口浸如水銀槽的情況下，如
果將玻璃管向上提一點(diǎn)，情形又會(huì)怎樣呢？
（七） 問(wèn)：如果在做托里切利托里切利實(shí)驗(yàn)時(shí)，在灌裝水銀的過(guò)程中不小心混入了少許空氣，會(huì)不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果？
五、 學(xué)生總結(jié)
問(wèn)：這節(jié)課我們共介紹了兩個(gè)非常有名的實(shí)驗(yàn)，它們是什么？
答：馬德堡半球?qū)嶒?yàn)和托里切利實(shí)驗(yàn)。
問(wèn)：這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)分別說(shuō)明了什么問(wèn)題？
答：馬德堡半球?qū)嶒?yàn)說(shuō)明了大氣存在壓強(qiáng)；托里切利實(shí)驗(yàn)測(cè)出了一個(gè)托里切利實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)的具體數(shù)值
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