马德堡半球实验(
德语:Magdeburger Halbkugeln,英语:Magdeburg hemisphere),亦作马格德堡半球实验,马德堡半球实验,这是一个具有深远影响的历史性实验,标志着科学和工程学上的一次重大突破。通过这个实验,人们首次直观地证明了大气压强的存在和威力,并由此引发了对于这一现象的深入研究。
马德堡半球实验的历史背景可以追溯到17世纪中期。当时,
德国的
马格德堡市长盖里克做了一个实验,以证明大气压强的存在。他通过一系列的实验步骤,成功地展示了大气
压强的力量,这也使得这个实验被后世称为“马德堡半球实验”。在理想状态下,
地球表面的大气层会对下方物体产生一定的压力,这就是大气压强。这个实验将两个金属半球紧密地结合在一起,然后抽出球内的空气,使其内部形成接近真空的状态。这时,大气压强将两个半球紧紧地压在一起,需要强大的力量才能将它们分开。这就是马德堡半球实验证明的核心理论。马德堡半球实验不仅证明了大气压的存在,而且证明了它的强大,实验的原始半球可以在
慕尼黑的
德意志博物馆看到。
马德堡半球实验的主要运用领域是物理学和工程学。在物理学中,这个实验是气压和流体静压力等概念的重要教学案例。在工程学中,这个实验为设计和优化气压系统提供了重要的参考。此外,马德堡半球实验在气象学、航空航天等领域也有广泛的应用。
实验介绍
实验者介绍
奥托·冯·格里克(Otto Von Guericke)是一位德国物理学家和政治家,出生于1602年11月20日,逝世于1686年5月11日。他来自
马格德堡足球俱乐部的贵族家庭,曾在莱布尼兹和莱顿大学就读。他曾以工程师的身份在军队服役,并在1646年~1676年间担任马德堡市的市长。
在从政期间,
奥托·冯·格里克并没有放弃自然科学的研究。他在1650年发明了活塞式真空泵,这是一个具有重要意义的发明,它为后来的工业和科技进步奠定了基础。
1654年,奥托·冯·格里克设计并进行了著名的马德堡半球实验,这个实验展示了大气压的大小。这个实验的目的是为了推翻
亚里士多德提出的"自然界厌恶真空"(horror vacui)的假说,这个假说认为自然界不喜欢真空状态。通过实验,奥托·冯·格里克证明了大气压的存在并且可以产生很大的力量。
实验背景
在十七世纪,抽水机已经存在,并被用于从矿井中抽水。然而,当
意大利塔斯坎宁公爵在
佛罗伦萨建造了一个喷水池,挖了一口深井,并安装了一台强力的抽水机时,他发现抽不出水。这个问题让他感到非常困惑,因此他决定向
伽利略·伽利莱请教。 伽利略是一位著名的科学家,但是当时他双目失明,身体状况也不太好,无法亲自去现场调查。他告诉塔斯坎宁公爵:“井太深了,抽水机内的水还没到井口就因为自身的重量掉下去了。”
伽利略的继承者之一,
埃万杰利斯塔·托里拆利,试图解决这个问题。他想,抽水机活塞上升,水也跟着上升,这是为什么呢。他意识到井深超过10米可能是一个因素,导致水无法升上来。他猜测这可能是由于水面存在大气压力的缘故。 为了验证这个假设,他做了一个实验。他使用一根1米长、一端封闭的玻璃管,里面装满了
汞。他将这个玻璃管倒置在水银槽里,发现水银柱下降到76厘米左右就不再下降了。这表明大气对水面的
压强相当于76厘米高水银柱产生的压强。
这个实验传到了
法国,引起了帕斯卡和柏里耶的关注。他们通过自己的实验证实了大气压随着高度的增加而减少的事实。 当时
马格德堡市的市长
奥托·冯·格里克是一位非常热衷于科学研究的人,虽然他的政务繁忙,但他始终坚持进行科学研究,并积极传播和普及科学知识。 经过几年的努力,他设计、制作并在几个地区表演了著名的马德堡半球实验。这个实验因为其令人震撼的效果而闻名于世,成为了科学历史上的一个里程碑。
实验过程
1654年5月8日,时任马德堡市长奥托·冯·格里克在
罗马帝国的
雷根斯堡(如今的德国雷根斯堡)市郊进行了一项科学实验,目的是为了证明大气压强存在。他制造了两个直径约50厘米(20英寸)的铜质空心半球用于实验,半球中间有一层浸满了油的皮革,用以让两个半球能完全密合。其中一个半球上带有连接管,用以连接真空泵,有阀门可将其关闭。当两个半球间的空气被抽出后,两个半球便会受周围的大气挤压而紧合在一起。
然后,格里克将16匹马分为两组,分别向两个半球拉扯。这16匹马拼尽全力把两个半球最后拉开的时候,发出了很大的响声,就像放炮一样。当时围观的市民非常吃惊,而格里克则借此机会,向市民解释这是“大气的力量”。如果打开铜半球上的阀门,空气就会经阀门流进球里,用手轻轻一拉,球就会打开。
实际上,根据理论计算,使得两个半球结合的力的大小可以由半球的直径和半球内外的
压强差计算得到。在
奥托·冯·格里克的实验中,由于无法得知其使用的真空泵的效果,因此无法准确计算使得两个半球分开所需的力的大小。如果假设其真空泵能够完全抽掉所有的空气,那么要分开两个半球则需要20千牛顿的力,这相当于需要举起一头幼年
非洲草原象的力。为了将球体内部抽成真空,格里克设计并发明了世界上第一个真空泵。
之后,格里克多次在各地重现此实验以满足广大好奇的观众。1656年,他在他任职市长的
马格德堡用两队各8匹马重复了这一实验,得到了相同的结果。他还尝试将两个半球组成的球体抽出空气后悬挂重物,但是两个半球仍然没有分离。1663年,他在柏林用两队各12匹马为
勃兰登堡侯爵选帝侯
腓特烈·威廉重复了这一实验。
实验结论
通过这个实验,奥托·冯·格里克斯证明了大气
压强的存在。这是因为当半球内部气压下降时,外部空气的压力将半球与平板紧密贴合在一起,不允许外部空气进入半球,从而使半球难以移动。
相关概念
真空
真空理论认为,在给定的空间内低于一个大气压的稀薄气体状态,称为真空状态。与通常的大气状态相比较,真空状态主要有下述两个基本特点。
(1)真空状态下,气体压力低于一个大气压。因此,
地球表面的各种真空容器必将承受到大气的压力,显然,压力差的大小由容器内外的压力值决定。由于作用在地面上的大气压约为101325N/m2,当容器内压力很小时,则容器所承受的压力可达到一个大气压。
(2)真空状态下,单位体积的气体分子密度小于大气压下气体分子密度。因此,分子之间、分子与电子、离子等其他物质之间,以及分子与容器壁等各种表面之间相互碰撞次数相对减少,气体分子的平均自由程(气体分子连续碰撞之间飞行距离的统计平均值)增大。
大气压强
从
地球表面延伸至高空的空气重量,使地球表面附近的物体单位面积上所受的力称为“大气压强”,或者说大气对浸在它里面的物体产生的压强叫大气压强,简称大气压或气压。 地面上空气的范围极广,常称“大气”。离地面200公里以上,仍有空气存在。虽其密度很小,但如此高的大气柱作用于地面上的压强仍然极大。人体在大气内毫不感觉受到气压的压迫,这是因为人体的内外部同时受到气压的作用且恰好都
相等的缘故。德国
马格德堡市市长,奥托·格里克做了马德堡半球实验证实了大气压的存在。
实验原理
在抽气前,半球的外部压力等于内部压力等于大气压,但抽气后,半球的外部压力大于内部压力,而且半球内部是真空,就好像两个半球被大气压“压”住了,因此这两个半球要用很大的力才能拉开,通过这次实验,人们相信有真空存在,也就是有大气
压强的存在。
微观
从微观上来看,可以用分子动理论来解释.因为气体是由大量的做无规则运动的分子组成,而这些分子必然要对浸在空气中的物体不断地发生碰撞。每次碰撞,空气分子都要给予物体表面一个冲击力,大量空气分子持续碰撞的结果就体现为大气对物体表面的压力,从而形成大气压。若单位体积中含有的分子数越多,则相同时间内空气分子对物体表面单位面积上碰撞的次数越多,因而产生的压强也就越大。
宏观
从宏观上来看,大气
压强是指地球大气层中的空气对地球表面的压力。由于
地球对空气的吸引作用,空气压在地面上,需要地面或地面上的其他物体来支持它,这些支持着大气的物体和地面就会受到大气压力的作用。单位面积上受到的大气压力就是大气压强。 由于大气层的高度和密度不同,大气压强也会有所改变。高度越高,空气越稀薄,密度越小,因此大气压强也会越小。另外,地球上面的空气层密度也不是
相等的,靠近地表层的空气密度较大,压强也较大,高层的空气稀薄,密度较小,压强也较小。这与气体
压强微观解释刚好相符。 因此,大气压强的变化与高度、密度、温度等因素有关。随着高度的增加,大气压强会逐渐减小;随着密度的增加,大气压强会逐渐增大;随着温度的升高,大气压强也会逐渐减小。
实验应用
对真空的研究已有370多年的历史,从1643年
埃万杰利斯塔·托里拆利对真空状态的研究、1662年玻义耳创建了玻义耳定律,到1879年伯努利提出气体分子运动论,他们奠定了真空技术的物理基础。 真空技术在运输、真空器件、冶金工业、镀膜工业、食品包装及冷冻干燥工业、航天工业等领域已经获得了广泛的应用。
在玻璃工厂中,当需要搬运平板玻璃时,他们会使用一个喇叭状的吸盘来压在玻璃上。随后,通过与吸盘相连的抽气机将吸盘中的空气抽出,使得吸盘内部气压减小。这时,大气压就会将玻璃紧紧地压在吸盘上,使其难以移动。接着,人们可以移动吸盘,玻璃也会随之移动。当到达适当的位置后,人们可以让空气进入吸盘,这样玻璃就会与吸盘分开。这与马德堡实验的装置有所不同,但排空空气的方法是相同的。
“拔火罐”是中医的一种传统疗法,其历史可以追溯到公元四世纪,至今已有1500多年的历史。这种治疗方式主要是利用加热的空气膨胀,将罐内的空气排出罐外,然后迅速将罐口捂在患处。随着罐内空气的冷却,气压减小,大气压就将罐紧紧地压在皮肤上,从而达到治疗的效果。 近年来,出现了一种改进版的“孟氏中药拔罐”,它在罐中增加了一个活塞,并配备了旋转螺旋,方便操作。使用时,旋转螺旋将活塞推出到与罐口相平,排出罐中的空气,然后迅速将罐口捂在患处。反向旋转螺旋将活塞拉入罐中,由于罐中空气几乎被排空,所以罐中气压很小,大气压将罐紧紧地压在皮肤上。这种拔罐方式比传统拔火罐更加简便易学。 总之,“拔火罐”是一种历史悠久且具有良好疗效的中医疗法,其操作简便易学,值得推广和应用。
不仅是中医,西医也常常使用马德堡半球实验的原理。例如,在心电图机上,常常会看到一种叫做吸盘电极的东西。它是一个凹形的橡皮圆盘,圆盘中心与橡皮球相连。在使用时,只要挤压橡皮球,就可以将球内的空气排出,然后将电极放在所需的部位。随后,只要放松橡皮球,橡皮球就会恢复原状,这导致球内减压,大气压就会将电极压在皮肤上。这样,就可以通过吸盘电极来监测心电图了。因此,可以看到,马德堡半球实验的原理在医学领域有着广泛的应用,无论是中医还是西医,都在利用这个原理为人们提供更好的医疗服务。
日常生活中的塑料挂衣钩和
BB枪也利用了马德堡半球实验的原理。塑料挂衣钩通过排出空气并恢复原状,大气压将它压在墙壁上,从而可以挂住物品。玩具枪的子弹前端带有一个凹形橡皮吸盘,射出后可以
吸附在目标物上也是同样的原理。
许多家庭中使用的钢化玻璃茶几的四条腿上端各有一个凹形的橡皮圆盘,当茶几面放在上面时,就会挤压圆盘并排出其中的空气。当移动茶几时,抬起茶几面,圆盘恢复原状并体积增大,气压减小,大气压就将圆盘紧紧压在茶几面上。由于圆盘的大小经过计算,使其受到的大气压力足以承担四条腿的重力,从而保证茶几腿能够一起移动。