第四章大气压力

大气压的经典实验 —— 马德堡半球实验

背景故事：

1654年，德国科学家奥托·冯·格里克用马德堡半球做了一场震惊世界的实验。

实验过程：

他用两个直径为55厘米的铜制半球合在一起。

用抽气机将球内的空气抽出。

结果：强大的大气压力从各个方向紧紧地压住两个半球，即使两边各用八匹马拉，也无法将它们分开！

结论：大气压无处不在，它可以产生巨大的力量！

小知识点：

马德堡半球实验是展示大气压存在的最经典实验之一。

这个实验让人们开始认识到空气的力量。

大气压的“动物版”马德堡半球

动物	特点	生活中的应用
苍蝇	脚末端有弯曲的爪子，爪掌中有吸盘，吸盘内没有空气，在大气压作用下紧紧吸住物体	苍蝇可以“倒挂”在天花板上，像攀岩高手一样行走。
章鱼、墨鱼	触手上有许多吸盘，吸盘内空气被排出后，利用大气压紧紧附着在物体上	它们用吸盘在水中附着在岩石上，或抓住猎物不让其逃跑。

生活例子：

挂钩吸盘：浴室里的挂钩吸盘靠的就是大气压原理。按压吸盘时，空气被排出，大气压将吸盘紧紧压在墙上。

拔火罐：火罐加热后，内部空气减少，放在皮肤上时，大气压将火罐紧紧吸住皮肤。

空气的性质

有质量、占据空间：气球充满空气后会膨胀，说明空气占据空间。

流动性强，扩散快：厨房里的香味很快就会飘到其他房间。

容易被压缩：注射器推杆时，里面的空气体积会变小。

压强向各个方向传递：轮胎里的空气均匀地向四周传递压力，支撑起整个车身。

气体压强的成因

气体由大量粒子组成，这些粒子不停地做无规则运动。

成因：粒子不断撞击容器的表面，产生压力。撞击越频繁、速度越快，压强越大。

大气压的来源：

地球周围有一层厚厚的大气层，厚度可达数百公里。

因为地球引力的作用，大部分空气集中在离地面32公里的范围内。

假设有一个截面积为A的空气圆柱，从地面延伸到大气层顶端，圆柱内空气的重量W会压在地面上，这种压力就是大气压。

大气压的生活应用

场景	大气压的作用
饮料吸管	吸管内空气被吸出后，大气压将液体推入吸管，喝到饮料。
真空包装食品	抽掉包装袋内的空气后，大气压将袋子紧紧压住食物，延长保鲜期。
注射器吸药	拉动注射器时，内部空气减少，大气压将药液推入注射器。
潜水艇	潜水艇在水下受到的压力与大气压有关，设计时需要考虑压强变化对艇体的影响。

大气压力有多大？

托里切利实验

1644年，意大利科学家托里切利设计了一个著名实验，用来测量大气压力。

实验步骤：

准备一个长约1米、一端封闭的玻璃管，并将其灌满水银。

用手指按住开口端，将玻璃管倒转并垂直插入水银槽中。

松开手指后，发现管内的水银柱下降到某一高度后停止。

管内水银柱上方形成了一个真空区域，称为托里切利真空。

实验结论：

在水银柱的C点，液体压力（P）等于在水银槽D点的大气压力（P₀）。因此，管内水银柱的高度（h）可以用来表示大气压力。

一大气压的定义

在海平面上，大气压力约等于76厘米水银柱的压力。

定义： 1大气压（1 atm）＝76 cmHg＝760 mmHg。

计算公式：

水银柱的重量：W = m × g = (A × h × d) × g

水银柱在C点的液体压力：P = W / A = h × d × g

数值计算：

已知水银密度d = 13.6 × 10³ kg/m³，g = 9.8 m/s²，h = 0.76 m，则：

1大气压的量值：

1 atm = 0.76 × 13.6 × 10³ × 9.8

= 1.013 × 10⁵ N/m²

= 10.1 N/cm² ≈ 1公斤重/cm²

生活中的大气压力：

假设一个成人的身体表面积约为10,000 cm²，那么身体承受的大气压力总力约为10,000公斤重！

为什么我们没有被压垮？

因为体内外的大气压力是平衡的，相互抵消，所以我们没有感觉到被压迫。

大气压力的单位

在气象学中，大气压力通常用帕斯卡（Pascal，Pa）表示：

1帕的定义： 1 Pa = 1 N/m²

1标准大气压： 1 atm = 1013 hPa（或称毫巴）。

公式：

大气压强由液体压强公式得出：

P = ρgh

ρ：液体密度（kg/m³）

g：重力加速度（m/s²）

h：液柱高度（m）

大气压测量工具

1. 水银气压计

原理： 利用托里切利实验的玻璃管制作而成。

特点： 精确，但体积大、不便携带。

2. 空盒气压计（无液气压计）

结构： 有一个密封的金属盒，盒壁对大气压变化非常敏感。

特点： 体积小，方便携带，常用于飞机、轮船等需要便携的场合。

应用： 测量不同高度的大气压力，帮助判断天气变化。

大气压力的生活应用

场景	大气压的作用
注射器抽药	拉动注射器时，内部空气减少，大气压将药液推入注射器。
吸管喝饮料	吸管内空气被吸出后，大气压将液体推入吸管。
真空包装食品	抽掉空气后，大气压将包装袋紧紧压住食物，延长保鲜期。
拔火罐	火罐加热后，内部空气减少，大气压将火罐吸附在皮肤上。
天气预报	气压计帮助预测天气：气压降低，通常意味着天气变差；气压升高，天气通常会变好。

托里切利实验的意义

首次测量出大气压力的大小。

证明了真空的存在。

为气象学、物理学的发展奠定了重要基础。

大气压的变化规律

离地面越高，气压越小： 每升高12米，大气压约降低1毫米汞柱（1 mmHg）或133 Pa。

晴天比阴天的大气压强大： 晴天空气干燥，气压较高；阴天水汽凝结，气压较低。

上午比下午的大气压强大： 上午气温较低，气压较高；下午气温上升，气压较低。

冬天比夏天的大气压强大： 冬天气温低，空气密度大，气压较高；夏天气温高，空气密度小，气压较低。

大气压随海拔的变化

空气密度与氧气含量：

海拔越高，空气越稀薄，但氧气的百分比含量不变（仍为21%）。

高海拔地区空气稀薄，氧气不足，容易引发呼吸困难。

高海拔现象：

耳部不适： 大气压变化导致耳膜内外压差，人耳会感到不舒服。

呼吸困难： 攀登高山时，由于大气压较低，氧气不足，可能出现耳膜破裂、鼻孔出血等现象。

烧水问题： 高山上气压较低，水的沸点降低，水温达不到100°C，食物难以煮熟。

潜水现象：

潜水员在水底受到的压强很大，需要吸入高压压缩空气。

如果上升速度过快，体内气泡无法及时释放，可能导致“减压病”。

大气压对人体的影响

拔火罐的原理： 当皮肤外侧的局部压强减少时，体内压强会使皮肤向外凸出，促进血液循环。

太空中的大气压： 太空是真空环境，压强几乎为0，对人体是致命的。

航天员的防护措施： 航天服内部加压，保护人体不受真空环境的伤害。

大气压对天气的影响

高压区： 空气从上往下流动，天气晴朗，空气干燥。

低压区： 空气从下往上流动，天空多云，容易形成阴雨天气。

气压计预测天气： 气压降低通常意味着天气变差，气压升高则天气变好。

大气压对液体沸点的影响

气压与沸点的关系：

气压增大，液体的沸点上升。

气压减小，液体的沸点降低。

压力锅的原理：

压力锅通过增大锅内的气压，提高水的沸点，使食物在高温下更快煮熟。

在高原地区，普通锅具难以煮熟食物，而压力锅可以克服这一问题。

生活中的大气压现象

现象	原因
高山上呼吸困难	海拔高，大气压低，氧气不足。
飞机升降耳朵不适	大气压变化导致耳膜内外压差。
水在高山上沸点低	高山气压低，水的沸点降低。
潜水员的减压病	上升速度过快，体内气泡无法释放。
晴天和阴天的气压变化	晴天气压高，空气干燥；阴天气压低。

气体压强与体积的关系

1. 基本规律

在温度不变的条件下，一定质量的气体体积与压强成反比。

体积越小，压强越大；

体积越大，压强越小。

公式：

P × V = 常数

其中：

P：气体的压强

V：气体的体积

2. 生活中的现象

注射器： 拉动注射器时，气体体积增大，压强减小，液体被吸入；推动注射器时，气体体积减小，压强增大，液体被推出。

自行车打气筒： 当活塞向下压时，气筒内气体体积减小，压强增大，空气被压入轮胎。

3. 气缸工作原理

活塞上移： 气缸内气体体积增大，压强减小，空气被吸入气缸。

活塞下移： 气缸内气体体积减小，压强增大，空气被推出气缸。

大气压强的方向

大气压的特点：

空气是可流动的，因此大气压力的作用方向是四面八方的。

大气压不仅向下作用，还会向上、向左、向右等各个方向施加压力。

类比：

大气压力包裹着我们，就像人在水中被水压包裹一样。

意义：

这种四面八方的压力使得我们的身体不会因为单方向的压强而受损，因为体内外的压强是平衡的。

气体压强与温度的关系

1. 基本规律

在体积不变的条件下，气体的压强随温度升高而增大，随温度降低而减小。

温度升高，气体分子运动加快，撞击容器壁的频率和力度增大，压强变大；

温度降低，气体分子运动减慢，撞击容器壁的频率和力度减小，压强变小。

公式：

P ∝ T

其中：

P：气体的压强

T：气体的温度（绝对温标，单位为K）

2. 生活中的现象

现象	解释
热胀冷缩现象	温度升高时，气体膨胀；温度降低时，气体收缩。
冰箱门紧闭现象	冰箱内热空气冷却，压强降低，使冰箱门被紧紧吸住。
轮胎爆裂现象（夏天）	夏天温度高，轮胎内气体受热膨胀，压强增大。
气球膨胀或收缩	气球放入热水中，气体膨胀变大；放入冰水中，气体冷却收缩。

气体压强随体积和温度变化的综合应用

压力锅的原理： 增大锅内气体压强，提高水的沸点，使食物更快煮熟。

高空飞行中的气压变化： 飞机升高时，外界气压降低，机舱内气压需维持稳定。

气球爆炸： 气球内气体受热膨胀，压强增大，可能因承受不住而爆炸。

潜水中的减压病： 潜水员快速上升时，体内气体因压强降低而膨胀，可能引发血液循环问题。

大气压的应用现象

1. 玻璃杯倒置不漏水：

现象：在盛满水的玻璃杯杯口上覆盖塑胶薄片，倒置后水不会流出。

原因：大气压作用在塑胶片上的向上压力大于水和塑胶片的重量。

关键点： 杯内不能让空气进入，否则压力平衡，水会流出。

2. 吸管饮料：

现象：用吸管可以吸果汁或饮料。

原因：吸管内的空气被吸走部分，形成低压区；大气压将果汁压入吸管内。

3. 塑胶吸盘的固定：

现象：塑胶吸盘可以牢牢固定在平滑的表面上。

原因：吸盘被压缩时部分空气被排出，形成低压区；大气压将吸盘紧贴表面。

大气压的应用工具

1. 真空压缩袋：

现象：抽出袋内空气后，物品被压扁，节省空间。

原因：袋内形成真空状态，外界大气压将袋内物品压紧。

优点： 节省空间、防霉、防蛀、防潮、防异味。

2. 吸尘器：

现象：吸尘器可以吸走灰尘和垃圾。

原因：吸尘器内部形成低压区，大气压将灰尘压入刷头内。

3. 水泵抽水：

现象：水泵可以将水从低处抽到高处。

原因：叶轮高速旋转，形成低压区，大气压将水压入水管。

4. 石油气筒：

现象：石油气筒内的气体通过阀门释放。

原因：筒内气压大于外界气压，气体从高压流向低压。

大气压与气体压强的规律

1. 气体压强与体积的关系：

规律：一定质量的气体在温度不变时，压强与体积成反比。

公式：P₁ × V₁ = P₂ × V₂

总结：气体体积减小时，压强增大；气体体积增大时，压强减小。

2. 气体压强与温度的关系：

规律：在体积不变时，气体的压强与温度成正比。

总结：温度升高，压强增大；温度降低，压强减小。

大气压在人体中的应用

1. 呼吸原理：

吸气：胸腔容积增大，压强减小，大气压将空气压入肺部。

呼气：胸腔容积减小，压强增大，肺内气体被压出。

2. 抽气机：

现象：通过排出气体形成低压区。

原因：大气压将液体或气体压入抽气机内。

3. 打气机：

现象：将空气压入轮胎或气球。

原因：活塞压缩气筒内空气，体积减小，压强增大，高压空气进入轮胎或气球。

总结

应用现象	原理
玻璃杯倒置不漏水	大气压作用在塑胶片上的向上压力大于水的重量。
吸管吸饮料	吸管内形成低压区，大气压将液体压入吸管。
塑胶吸盘固定	吸盘内形成低压区，大气压将吸盘压在平滑表面。
真空压缩袋	抽出空气后形成真空，大气压将袋内物品压扁。
吸尘器	内部形成低压区，大气压将灰尘压入吸尘器。
水泵抽水	转轴附近形成低压区，大气压将水压入泵内。
石油气筒放气	筒内压强大于外界压强，气体从高压流向低压。
呼吸	胸腔压强变化导致空气进出肺部。
打气机	活塞改变气筒内压强，将空气压入轮胎或气球。

第四章大气压力

大气压的经典实验 —— 马德堡半球实验

大气压的“动物版”马德堡半球

空气的性质

气体压强的成因

大气压的生活应用

大气压力有多大？

托里切利实验

一大气压的定义

大气压力的单位

大气压测量工具

1. 水银气压计

2. 空盒气压计（无液气压计）

大气压力的生活应用

托里切利实验的意义

大气压的变化规律

大气压随海拔的变化

大气压对人体的影响

大气压对天气的影响

大气压对液体沸点的影响

生活中的大气压现象

气体压强与体积的关系

1. 基本规律

2. 生活中的现象

3. 气缸工作原理

大气压强的方向

气体压强与温度的关系

1. 基本规律

2. 生活中的现象

气体压强随体积和温度变化的综合应用

大气压的应用现象

大气压的应用工具

大气压与气体压强的规律

大气压在人体中的应用

总结

独中学库

Class Sessions

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空气的性质

气体压强的成因

大气压的生活应用

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一大气压的定义

大气压力的单位

大气压测量工具

1. 水银气压计

2. 空盒气压计（无液气压计）

大气压力的生活应用

托里切利实验的意义

大气压的变化规律

大气压随海拔的变化

大气压对人体的影响

大气压对天气的影响

大气压对液体沸点的影响

生活中的大气压现象

气体压强与体积的关系

1. 基本规律

2. 生活中的现象

3. 气缸工作原理

大气压强的方向

气体压强与温度的关系

1. 基本规律

2. 生活中的现象

气体压强随体积和温度变化的综合应用

大气压的应用现象

大气压的应用工具

大气压与气体压强的规律

大气压在人体中的应用

总结

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