一、从一个有趣的问题开始
把一个剥了壳的熟鸡蛋放在瓶口上,鸡蛋比瓶口大一点,按也按不进去。可是,只要往瓶子里丢一团点燃的棉花,再把鸡蛋放回瓶口,鸡蛋就会"噗"地一声被瓶子"吞"进去!是谁在推鸡蛋?瓶子里明明没有人。今天我们用玻璃瓶、熟鸡蛋和一张纸,亲手揭开这个看不见的"推手"——大气压强。
二、实验材料
- 一个瓶口比鸡蛋略小的玻璃瓶(牛奶瓶、布丁瓶都可以,瓶口要光滑)
- 一个剥了壳的熟鸡蛋(表面不能破)
- 一张纸巾或一小团棉花
- 一个打火机或火柴(必须由大人操作)
- 一盆温水(备用,用于润滑瓶口)
- 一副隔热手套(防止烫伤)
三、实验步骤
第一步,请大人帮忙把纸巾点燃,迅速丢进玻璃瓶里,让它落在瓶底。
第二步,趁瓶内有白烟、火焰将灭时,立刻把剥好的熟鸡蛋轻轻放在瓶口上。注意不要用力往下压。
第三步,静静观察。你会看到鸡蛋先微微抖动,然后一点一点被"吸"进瓶口,最后"啪"地一声落进瓶底。
第四步,反向验证:把瓶子倒过来,往瓶底浇上热水,再用力摇晃,或者让空气从缝隙钻进去,鸡蛋又会被"吐"出来。
四、观察到的现象
鸡蛋不是被火焰烤软了才滑进去的,它全程保持完整。更奇怪的是,火在瓶子里熄灭后,鸡蛋反而被推得更有力。这说明推鸡蛋的力并不是火焰本身,而是火焰"离开"后瓶内发生的变化。把瓶子倒过来用热水加热,鸡蛋又会被推出来,说明这个力可以被"反向使用"。
五、知识点讲解
- 大气压强的存在
我们生活的空气并不是"空"的,它是有质量的。地球表面大气层的重量压在每一个物体上,就形成了大气压强。在标准情况下,海平面附近的大气压约为 1.013×10^5 帕,相当于每平方厘米上压着约 1 千克重的物体——大约是一个大苹果压在你的指甲盖上。
- 为什么鸡蛋会被"吞"进去
点燃的火焰把瓶内的空气加热,空气受热膨胀,一部分空气被挤出了瓶子。火焰熄灭后,瓶内空气迅速变冷收缩,瓶内的气体分子数量也变少了。于是瓶内气压低,瓶外仍是正常大气压,瓶外的大气压就"多"出一块力,把鸡蛋往瓶里推。这不是瓶子会吸东西,而是外面的空气把东西压进去。
- 托里拆利实验与气压测量
意大利科学家托里拆利用一根一米长、装满水银的玻璃管倒插在水银槽里,管中水银柱下降到约 760 毫米就停住不动了——这 760 毫米水银柱产生的压强正好等于大气压。这就是最早的气压计。今天我们用气压计预报天气:气压降低常常预示阴雨将至,气压升高往往意味着天气转晴。
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大气压的应用
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吸管喝饮料:吸走管内空气,外界大气压把饮料压进嘴里。若在吸管上扎一个洞,就永远吸不上来。
- 吸盘挂钩:挤出盘内空气,外界大气压把吸盘牢牢压在墙上。
- 高压锅:锅内气压增大,水的沸点升高,食物熟得更快。
六、生活案例与思考
案例一:小明用吸管喝牛奶,怎么吸都吸不动,妈妈把吸管从盒子里抽出来重新插了一次就好了。为什么?因为他第一次把吸管插歪,管口被包装纸堵住,管内空气无法被吸走,外界大气压也就无法把牛奶压上来。
案例二:高原上煮饭常常"夹生",需要用高压锅。原因是海拔高、大气压小,水的沸点降低,不到 100 摄氏度就沸腾了,温度不够高,米不易熟。
案例三:医院打点滴时,药液瓶上会插一根通气管,让空气进入瓶内保持气压平衡,药液才能顺利滴下。
七、动手练习
- 把两个吸盘挂钩对压在一起,挤出空气,试试两个同学能不能把它们拉开。想一想:为什么比用手直接拉要费力得多?
- 一个标准大气压约能支持多高的水柱?(提示:水银的密度是水的 13.6 倍,先算出 760 毫米水银柱对应的压强,再换算成水柱高度)
- 为什么在飞机起飞和降落时,我们常常觉得耳朵"堵住"了?请用气压差原理解释。
八、参考答案
- 因为吸盘内被挤成接近真空,外界大气压把两个吸盘紧紧压在一起,接触面上的摩擦力与大气压力都很大,所以很难拉开。
- 由 760 毫米水银柱得: 1.013×10^5 = ρ水 gh,h = 1.013×10^5 ÷ (1.0×10^3 × 9.8) ≈ 10.3 米。所以大气压大约能支持 10.3 米高的水柱,这也是抽水机理论上不能把水抽到 10.3 米以上的原因。
- 飞机升降时外界气压变化很快,而中耳内的气压来不及随之调整,鼓膜内外产生压强差,就被压得"堵住"了。吞咽口水、嚼东西或打哈欠可以打开咽鼓管,让空气进出,恢复平衡。
九、小结
大气压强虽然看不见、摸不着,却时时处处在起作用。会"吞"鸡蛋的瓶子,把"看不见的空气"变成了一次看得见的表演:加热排气—降温降压—外界大气压推动。掌握"瓶内气压变小,外界大气压占了上风"这一条思路,就能解释和设计出许多有趣的实验。