师:同学们,今天我们学习人教版初二物理第九章大气压强。本节课的学习目标是通过观察和实验感受大气压的存在。上节课我们了解到池底的小鱼会受到液体来自四面八方的挤压。其实我们人类也是生活在“池塘底部”,只不过这个“池塘”填满了空气。我们人类同样会受到空气来自四面八方的挤压,单位面积上的大气压力就是大气压强。据科学家测量,海平面上的大气压约为(1.01×10^{5})帕斯卡。

  这里有一个铁罐,它的侧面面积为(0.05)平方米。根据(F = PS),大气对这个面的压力有(5050)牛,相当于有(8)个成年人压在这个侧面上。但我们看到的这个铁罐会被压扁吗?并不会。这是为什么呢?

  生:因为铁罐内部和外部的空气相连通,所以内外气压相等。根据(F = PS),在压强相等、受力面积也相同的情况下,内表面和外表面的大气压力抵消了,合力为零。

  师:非常好。那同学们思考一下,按照这样的分析,我们如何利用大气压把铁罐压扁呢?大家可以先思考一下。

  生:从理论上分析,想要压扁铁罐,需要内外气压产生向内的合力。要么外部大气压变大,要么内部气压变小。比如把铁罐内的空气抽走,此时外界大气压力不变,内部气压变小,外表面气压比内部气压大,产生向内的合力,最终把铁罐压变形。

  师:没错。同学们,现在我们一起利用大气压把铁罐压扁。我们所用的器材有铁罐、气压计,还有抽气机。这个铁罐内外相通,我们装上气压计。看到示数为(0),这表示内部气压为(0)吗?其实不是,这个示数指的是内外的气压差,因为内外相通,所以内外气压相等,气压计示数为(0)。现在我们装上抽气机。

  开始抽出铁罐内的空气,我们看到气压计的示数开始增大,说明内外压强差在变大。当压强差增到四千帕时,我们看到铁罐开始被压变形了,实验成功。然后留一个问题给大家,我们知道了如何利用大气压把铁罐压扁,那知不知道如何利用大气压使铁罐鼓起来呢?同学们可以课下思考。其实只需要往铁罐里充气,力可以改变物体的形状,向里面充气时,里面的气压变大,外面的气压没变,于是铁罐中产生一个向外的合力,将铁罐撑开。

  (1.01×10^{5})帕斯卡的大气压,当我们在沙滩上躺平时,大气对人体的受力面积(S)如果为(0.18)平方米,则此时大气对人体的压力有(18180)牛,也就是相当于(30)个成年人压在我们身上。这么大的压力,为什么没把我们压成“照片”呢?同学们可以利用分析铁罐的方法来分析这个问题。

  生:前面说到铁罐不会被压扁是因为内外压力平衡,合力为零。人也是一样,体外受到大气压作用,但我们体内部也有气压,像人体内部的肺、鼻窦腔内含有空气,细胞和血管充满液体。来自体内的压强和外界的大气压刚好达到平衡,于是内外压力平衡,合力为零,所以我们既不会被压扁,也不会被撑破。

  师:很好。大气压这么大,我们有没有方法验证一下这个气压值呢?我们知道液体中某个面所受的压力等于这个面以上的液柱所受的重力,即压力(F = G = m×g = \rho×V×g),再把体积拆分(V = \rho×S×h),然后再乘以(g)。此时这个面的液体压强(p_{液}=\frac{F}{S}=\rho_{液}gh),这是我们求液体压强的方法。气体和液体一样是流体,我们能不能类比一下,也用(p = \rho gh)计算头顶的大气压呢?想象一下,我们头顶上方有个空气柱,密度为(\rho_{空气}),高度为(h)。这样我们头顶的大气压(p_{大气}=\rho_{空气}gh)。但问题来了,空气的密度随着高度的升高会逐渐减小,而且我们确定不了空气柱(h = 0)在哪个位置,所以我们无法直接用(p = \rho gh)计算气体压强。不过聪明的科学家还是利用液体压强的计算推导出了大气压,他们是怎么做到的呢?

  第一位测出大气压值的科学家是意大利的托里拆利。一开始研究大气压大小,是因为发现抽水机最多只能把水抽起约(10)米的高度。所以为了测出大气压的大小,托里拆利的实验模仿了抽水机的情形。这是两端开口的透明水管,当竖直放置在水中时,管内外空气相通,管内外液面都受到大气压,液面相平。如果水管内部空气被抽走,会导致管内气压减小,但管外气压不变,此时管内水柱会上升。此时根据液体在同一深度所有点的压强相等,即管外液面(A)点和管内液面(B)点的压强(p_{A}=p_{B}),而(A)点受到大气压(p_{大气}),(B)点所受的压强为液面上方的内部气体压强加上液柱的压强,即(p_{B}=p_{内气}+\rho_{水}gh)。因为(A)、(B)两点压强相等,则(p_{大气}=p_{内气}+\rho_{水}gh)。如果我们把这条水管的上端密封,并把里面的空气抽走,此时这个位置就是真空环境,也就是内部气压为(0),那么(p_{大气}=\rho_{水}gh),也就是这段水柱的压强。实际上能否做到呢?我们一起进入实验。

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《8年级下册物理 第9章 第3节 大气压强第一课时 逐字稿-3,241字 第5版》.docx
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