实验3 试管自动上升
思考: 你能让试管自动向上走动吗?自己亲自做做看。
实验准备：粗细试管各1支（要求粗管的内径稍大于细管外径，然后倒置，细试管将向下落）、水
实验操作：
1.先做无水的情况下，将细试管插入粗试管中，然后倒置，细试管将向下落；
2.在粗试管中盛适量的水，把细试管插入一小段，然后倒置。让水由两管之间的间隙中流下。细试管在水流下落的过程中会自动的上升。
实验中的科学:
粗试管中无水时，细试管由于受到重力作用，就会下落。而粗试管中有水时，细试管上方是水，下方是空气，细试管会在大气压力的作用下，向上运动。地球对周围物体的压力叫做大气压力。随着距离地面高度变化，大气压力也在变化，位置越高，压力越小；位置越低，压力越小。
创造：你还能用什么实验证明大气压力的存在，并感受到大气压力很大。
大气压力的发现故事：公元14世纪前后的佛罗伦萨是何等热闹的地方，它正处在意大利的南北通衢（qú）大道上，人口已达十万，手工业工厂发达，仅毛纺厂就达三百多家，而且并不是自产自销，原料来自西班牙，染料来自埃及，产品又销到英、法。世界各地的商人南来北往好不热闹。要说文化，这里又是文艺复兴的重要基地，一些有名气的代表人物都是这里的人氏。伽利略就不用说了，还有写《神曲》的诗人但丁，画《蒙娜丽莎》的达·芬奇，制作了《大卫》雕像的米开朗琪罗，建造了著名的无柱圆顶教堂的建筑家伯鲁涅列斯基。这里虽是扼杀了一些如伽利略那样的新文化名人，但是就连那些上层贵族人物也不能抗拒这个新文明冲击。一些上层人物也是总想把自己打扮成有知识的样子，想把自己的庭院装修得更华丽些，好向市民们和外国商人炫耀一下自己。
现时这佛罗伦萨的大公爵塔斯坎宁别出心裁，要在自己家的院子里建一个大喷水池。他想，这种阔气谁人能比?钱是不发愁的，至于设计，他要亲自动手。他安排了水池、喷头、假山，在池山之间栽种了国外引进的奇花异树，建造了亭廊，亭间廊边遍设烛台，为的是夜间一样可以酣饮畅游。为了加大水量，他又特别吩咐管家找来了打井工人，为喷水池专挖一口井。那井也挖好了，抽水机也装好了，只差机器一转，就可珠滚荷叶，银落水面，人们便可隔着帘，披着湿雾，跳化装舞了。但这般光景公爵不准备一人独享，这是一次向全市炫耀自己学识、财富、才华和风度的好机会。这天，他选了一个良辰吉日，遍请了市内的头面人物，大工场场主、教授、艺术家，还有那些从波斯、西班牙等东西方来的富商，还特地邀请著名的诺尔鲁神父来光临新水池“开喷典礼”。这天刚日落西山，公爵家的大门口就车塞马呜，门内廊上亭上也早美酒侍侯，佳肴等人了。不一会儿红烛高照、华灯齐放，乐声轻轻地漫上了树梢屋檐。这时塔斯坎宁公爵举起一杯红酒，笑容满面地说：
“各位先生，今天本公爵亲自设计的喷水池竣工，特邀你们来参观一下我的拙作，并参加我们家庭庆祝舞会，我和我的夫人及全家表示非常的感谢。让我们大家为这项庭院工程的胜利竣工来干一杯。”
接着就听一阵酒杯相碰的叮当之声。然后公爵向早就在亭外侍侯的工匠一挥手：“开始抽水!”
可是这水井里的水半天也抽不到地面上，更不用说从喷头里喷出来了。那些工匠摇着抽水机的摇把累得满头大汗，只听那水好像是提到了半腰，可是咕噜一声，就像人咽了气一样，又下去了。公爵忙命工匠仔细检查一遍，每一个螺丝都看过了，机器完好，设计也看不出问题。现在就连公爵自己脸上也是汗津津的了。
这时从来宾席上走出一位年轻人来，他略带嘲弄地将公爵看了一眼说：“不要费劲了，今天这井里的水是不会上来了。”
“你怎么知道?”
“伽利略说的。”
这一句话就像是有人突然在席间放了一颗炸弹，顿时大家都惊呆了。伽利略不是早就被教会监禁了吗?怎么他的幽灵今天又出现在这里。
这青年看着这些吃惊的人们，哼了一声说：“你们当然早把他忘了，可是不管你们忘不忘，地球照样还在转，这水照样不会听你们的话，上到地面来。下午，我刚从郊外回来，他老人家知道这里在打井，说，只要超过十米，水就别想上来!”
“为什么?”
“因为抽水是靠抽掉水管里的空气，产生真空，外面的大气压强发生作用才把水从管子里压上来。但是这压强是个死数，管子长了，它没有那么大的劲，自然就压不上来了。”
“什么?你说什么真空?里面什么也没有?这是不可能的。”这时在座的一个神父立即站起来与他辩论。
“是的，什么也没有，连上帝也不存在。”年轻人好像很高兴有人出来应战。
“你是谁?”“我是伽利略的学生。一个伽利略分子。”
这个青年叫托里拆利(1608～1647)，他崇拜伽利略，到处自称是伽利略分子，比伽利略更直率地宣传他的学说。
公爵和神父，万没想到今天这个场合能冒出一个伽利略的学生，真使他们扫兴，便恼怒地说：“既然你发现了什么真空，就当众拿出来给大家看看。”他们冷笑着，很为自己出了这么个绝好的难题而自豪。想瞧这青年的难堪。
青年不慌不忙地说：“这很容易，我现在做一个实验，拿来‘真空’让你们看看。不过在看以前先讲个条件：要是实验做成了，高贵的公爵，还有尊敬的神父，你们得当众承认伽利略的学说是对的。”
“要是做不成呢?”公爵连想也不想他会做成，急着反问。
“任你们怎样处置。”“好，那就马上把你送到罗马教廷去审判。”神父急忙宣布。
他知道从伽利略被监禁后，又有一个叫佛罗伦萨中心实验学会的青年团体，还在到处实验，宣传伽利略的学说，教廷已经抓了一些。那次有一个青年拒捕，还跳楼死了。想不到今天在这里又碰见一个这样胆大妄为的毛头小子。
“好，一言为定!”
只见托里拆利从桌上拉过一个又细又扁的黑匣子，打开取出一瓶水银和一根有一米长、一头开口的细玻璃管，管上有刻度。他又随手拉过一只小碗，倒满了水银，再把玻璃管里也灌满，用拇指按紧开口，然后一下倒过来连手指浸入碗中，再抽出手指。只见那细管中的水银开始下落，但是当液面落到76厘米处时便不再落了。托里拆利指着76厘米以上的那一截管子说：“各位先生，请看，这管子里就是真空，空得连空气也没有了。”
“可是为什么水银不再下落，让管子里再空一点呢?”客人中有人显然对此已发生兴趣，忙插话提问。
“对。为什么水银不再下落了呢?正是由于空气的压力。这压力就像能把井水压上来一样，它能把水银正好托在这个高度。水银的密度是13600千克/立方米，因此这水银柱的压强就是13600×9.8×0.76=101293牛/平方米，这就是空气的压强。那水的密度是1000千克/立方米，如果10米深的井管，水柱压强就有1000×9.8×10=98000牛/平方米，差不多正是大气压力；你想，井深超过10米那水还能压上来吗?幸亏公爵打的是一口水井，要是一口水银井，怕井深不到一米就要报废了。”托里拆利说完，以嘲讽的眼神向公爵看了一眼。他就是这样年轻气盛，成心要让这帮贵人难堪。
这时客人中有人点头称是，有人津津有味地听着这个闻所未闻的新课题。
诺尔鲁神父眼看着这场面竟要让这个毛头小子左右了，也顾不得体面，忽地一下站起来说：“你这是变魔术。你又怎么能证明上面那截管子里真的是空的呢?怎么能证明这水银柱真的是空气的压力托着呢?”
“别忙!”托里拆利向神父揶揄地一笑，然后又从黑匣子里抽出一根丫形管子证实真空存在的实验。这是一根直管儿，在顶头上弯出一个变，形成一个钩子，又像根拐杖。弯头处开了个洞。只见托里拆利用一个指头堵住小洞，弯朝下，灌满水银，倒过来和刚才一样浸在水银碗里，这样长直管里又是个76厘米的水银柱，而那弯儿底部也存下一截水银，上面却出现了真空。这一个连通管里就有两截水银，两截真空了。托里拆利向大家扫了一眼，说，“现在只要我的手指一离开这个小洞，由于空气进来产生压力，长管里的水银就会全部落入碗里，小弯里的水银就会被空气托到管头上去。这正好说明刚才这里确实是没有空气的，你们信不信?”
“不信?”公爵忿忿地应道。
只见托里拆利将手一抬，那直管里的水银柱像是空中的悬物断了线，刷地一下跌落碗里，而那个弯管底部的水银倒像有一个无形的手在下面推挤，眼睁睁地升上了管的顶头，像贴在管子上一样不再下来。这时全场的人都顾不得那佳肴、美酒了，一个个伸长了脖子，都看着这根魔管。有的人还在胸前划着十字，轻轻地喊着：“啊，上帝!”托里拆利这时扬起头很认真但又像是在开玩笑地说了一句：“那不是上帝，是空气!”而公爵呢，看着这个像变魔术一样的场面，一边掏手帕擦汗，一边说：“可能伽利略真的是对的。”
托里拆利见公爵终于说出这句话，便收拾起他的黑匣子，一个鞠躬，飘然离去。这时半天没有插上嘴的公爵夫人看着这个扫兴的场面，才想起把管家叫来，怒斥道：“他是怎么混进来的?”管家怯生生地说：“我见他夹个匣子，还以为是乐队里的人呢。”
这就是1643年进行的有名的托里拆利真空实验。水银柱上的那段真空也就被后人称为“托里拆利真空”，而那种玻璃管也被叫做“托里拆利管”。
再说这真空试验的消息立即不胫而走。人们都竞相演示这个实验。消息传到法国，数学家布莱斯·帕斯卡(1623～1662)不但在家里做实验，还到山上、山下对比着做。他发现空气的压力与海拔是相关的。在海拔2000米以内每升高12米，托里拆利管中的水银就要下降1毫米。消息传到法国，法国马德堡市的市长奥托格里克竟也放下繁重的公务来做这个科学游戏。他想的主意更为新奇，他用两个铁制的直径有20厘米的半球扣在一起，并不作任何焊接，只把里面的空气抽掉，于是无论多么强壮的大力士，一人抓住一半拉也拉不开。人们简直不敢相信这球的魔力。
1654年法国勒根斯堡郊外春日融融，绿草如茵。这天，山坡下的空场上围了有上千人。草地上又是跳舞又是赛马，好不热闹。沿山坡临时搭起了台子，上面旗杖华丽，鼓乐齐鸣。原来今天皇帝、皇后也在这里与民同乐。一会儿，奥托格里克一手拿着一块他设计的半球来叩见皇上，请求为陛下表演一个科学游戏。皇上正在兴头上便欣然允诺。只见他双手将这两个半球啪地往一起一合，助手递上一个小唧筒，三下两下，差不多就将里面的空气抽光了。这球的半径不过20厘米，里面的空间顶多也只能装三个拳头。然后奥托格里克将两根又粗又结实的丝绳系在半球两边的环上，招手叫过两个大汉一边一个拔起河来。只见他们脸涨得由红变紫，双方或左或右，互有进退，而那球的两个半块倒是平平稳稳地相抱在一起。皇帝、皇后看得发呆了，刚才明明是两个随便合起来的半球，怎么会吸得这样紧?这时奥托格里克又命令两边各加到二人，加到三人。铁球呢，倒像越拉越紧。草地上千人之众鸦雀无声。奥托格里克喝了一声：“住手。”又干脆牵过两匹马来，一边套上一匹，两个驭手挥起鞭子，两匹马仰天长嘶一声，四蹄扣地向两边拉起来。可是那球还是依然如故。奥托格里克又将两边再各加一匹，一会又加一匹，这样一直各加到七匹健马，还是不见分晓。这时皇后忘了她那在臣民面前应保持的尊容，双唇大张，右手紧紧抓住皇帝的手腕。奥托格里克又命令两边再各加一马，驭手的鞭子甩得如爆竹炸响，马嘶啸啸，尘土飞扬，围观的人群也沸腾起来，各喊加油。只听“嘭”的一声，铁球终于裂成两半，两边的八匹马各带着半块小球一下冲出几百米远。这时皇后才闭口松手，喘出一口气来，皇帝的手腕也早被捏出五个指头印来。他忙将奥托格里召至台上问：“你变的是什么魔术?这两个小半球，怎么会有这样大的吸力?”
“启奏陛下，这小球上的力不是吸力，是空气对它的压力。”
“你知道这压力有多大吗?”
“按托里拆利的计算，大气对物体的压力是每平方厘米10牛顿。这小球的截面积是半径的平方乘上圆周率，等于1256平方厘米，作用于它身上的力就有12560牛顿，每边八匹马每匹马要使出1570牛顿的力才能将它拉开呢。”
皇帝闻听半信半疑。他想了一会儿说：“这样一个拳头大小的球就要受大气的千斤压力，那朕的皇宫不早被压塌了吗?”
“陛下不用担心。铁球拉不开是因为里面抽成了真空，只有外面受压力，陛下的皇宫高门大窗，空气自由出入，自然不会真空，上下压力也就互相抵消了。”
“那我们这些人每天生活在大气里不也要被压瘪了吗?”
“是的，我们一般人的身体面积约两平方米，他昼夜不停地受着二万公斤的压力呢。可是陛下也不用担心，我们有口鼻可以呼吸，所以肚子里也绝不会形成真空的。”
皇帝听到这里才知自己是一场虚惊，大可不必为此担心，脸上也有了轻松的笑容，嘉许道：“想不到你这个市长还知道这么多新知识。”说罢又传令摆酒，要借这明媚春光与奥托格里克及臣子们痛饮一场。草地上又鼓乐齐奏，舞姿翩翩。
