大气压强

我们每天生活在大气层的底部，空气无处不在，却常常感觉不到它的存在。空气和水一样，是有质量的，整个大气层虽然看不见、摸不着，却时刻对地球表面以及其上的一切物体施加着压力。这种压力就叫做大气压强，简称大气压。

大气压的存在体现在日常生活的许多细节里：用吸管喝饮料时，液体被“推”上来；将吸盘按在墙上，轻轻一按就能挂住物品；医生用注射器抽取药液时，活塞一拉，液体自然涌入管内……这一切背后，都是大气压在发挥作用。理解大气压，不仅能解释这些生活中常见的现象，还能帮助我们认识高原反应、气象变化以及工业生产中的许多问题。

大气压的存在

大气压的存在最早被科学实验所证实。在17世纪，科学家们通过两个著名实验，清晰地揭示了大气压的存在和大小。

马德堡半球实验

1654年，德国科学家奥托·冯·格里克在马德堡进行了一个令人震惊的公开实验。他将两个铜制半球扣合在一起，抽出球内空气后，分别让两侧各八匹马用力拉拽，竟然无法将两个半球分开。一旦重新向球内充入空气，两个半球立刻轻松分离，不需要用力。

这个实验说明：当球内气压接近零，球外大气压从四面八方向内压紧，产生了巨大的合力，将两个半球牢牢地压在一起。

托里拆利实验

1644年，意大利科学家托里拆利设计了一个精妙的实验，第一次精确测出了大气压的数值。

实验步骤如下：取一根约1米长、一端封闭的玻璃管，管内灌满水银，用拇指堵住开口端，然后倒置插入一个盛有水银的槽中，再移开手指。管内的水银柱并没有完全流入槽中，而是保持在一定高度后停止下降，管顶端形成一段真空，称为托里拆利真空。

水银柱之所以停在760 mm，是因为大气压恰好支撑住这段水银柱的重力，大气压与水银柱压强相等：

$p_0 = \rho g h$

代入数值：$\rho = 13600\text{ kg/m}^3$，$g = 10\text{ N/kg}$，$h = 0.760\text{ m}$：

$p_0 = 13600 \times 10 \times 0.760 = 103360\text{ Pa} \approx 1.013 \times 10^5\text{ Pa}$

标准大气压的数值

通过托里拆利实验，我们得到大气压的精确数值。在海平面附近、温度为0°C的标准条件下，大气压的数值称为标准大气压，记为 $p_0$：

$p_0 = 1.013 \times 10^5\text{ Pa} \approx 101325\text{ Pa}$

这等价于760毫米高的水银柱产生的压强。因此大气压还常用“毫米汞柱（mmHg）”来表示，在医学和气象领域十分常见。

$1.013 \times 10^5$ 帕斯卡是一个相当大的数值。把大气压作用在一块边长10厘米的正方形面板（面积 $S = 0.01\text{ m}^2$）上，所产生的压力为：

$F = p_0 \times S = 1.013 \times 10^5\text{ Pa} \times 0.01\text{ m}^2 = 1013\text{ N}$

这大约相当于一个100千克物体所受的重力。大气压其实非常大，只是因为我们身体内外气压基本相同、互相抵消，所以平时感觉不到。

气压与高度的关系

大气压并不是固定不变的，它随高度的升高而减小。离地面越高，上方的空气柱越短，空气密度越低，大气压就越小。

这一规律与液体压强 $p = \rho g h$ 类似：高度越低，上方的气柱越长，重力越大，压强也越大。

• 高原反应的物理原因：在西藏、青海等高海拔地区，大气压只有海平面的65%左右，空气中氧分子浓度也相应降低。人体吸入的氧气不足，就会出现头痛、胸闷等高原反应症状。

• 水的沸点随高度降低：标准大气压下，水在100°C沸腾。在高原地区，大气压偏低，水的沸点也随之降低。在拉萨，水约在88°C便开始沸腾，这就是高原煮食物不容易熟透的原因——水沸腾时温度不足100°C。

大气压在生活中的应用

大气压在日常生活中的应用随处可见，很多看似神奇的现象，背后的原因都是大气压在起作用。

注射器抽液

用注射器抽取药液时，将针头插入药瓶后缓慢向外拉活塞，使注射器内部空间增大，内部气压降低，低于外部大气压。此时，药瓶外部的大气压将药液向上压入注射器。

吸盘挂钩

将橡皮吸盘按在光滑的墙面上，用力压紧后，吸盘内部空气被挤出，内部气压降低。此时，外部大气压将吸盘紧压在墙面上，产生足够大的摩擦力，从而承受一定重量的物品。

吸盘理论上能承受的最大压力为：

$F_{最大} = p_0 \times S$

一个直径为5 cm的圆形吸盘，面积 $S = \pi r^2 = 3.14 \times (0.025)^2 \approx 1.96 \times 10^{-3}\text{ m}^2$，理论最大压力为：

$F = 1.013 \times 10^5 \times 1.96 \times 10^{-3} \approx 198\text{ N}$

约相当于20千克物品的重力。实际使用中，由于吸盘不能完全密封，承受力会低于理论值。

用吸管喝饮料

用嘴吸吸管时，嘴的动作使吸管内气压降低，低于杯外液面所受的大气压。大气压向下压在液面上，液面受力不平衡，大气压将饮料沿吸管向上推入口中。

抽水机

手动抽水机抬起手柄时，活塞上升，井筒内气压降低，大气压将井水向上压入水管，水便被“抽”了上来。

由于大气压约等于10.3米高水柱的压强，理论上大气压最多能将水向上推约10.3米，这是普通抽水机扬水高度的物理极限。

练习题

第1题（大气压的存在）

托里拆利实验中，管内水银柱的高度约为760 mm。若将实验地点从海平面迁移到海拔较高的山顶，管内水银柱的高度将如何变化？

A. 升高

B. 不变

C. 降低

D. 先升高后降低

第2题（标准大气压）

标准大气压的数值约为多少帕斯卡？

A. $1.013 \times 10^3\text{ Pa}$

B. $1.013 \times 10^4\text{ Pa}$

C. $1.013 \times 10^5\text{ Pa}$

D. $1.013 \times 10^6\text{ Pa}$

第3题（气压与高度的关系）

在高原地区用普通锅煮鸡蛋，往往比在平原地区更难煮熟。造成这一现象的主要原因是：

A. 高原地区重力加速度较小

B. 高原地区大气压较低，水的沸点低于100°C

C. 高原地区气温低，导致锅内温度不足

D. 高原地区空气稀薄，热量散失过快

第4题（大气压的应用）

用吸管喝饮料时，液体能进入嘴里，主要原因是：

A. 人嘴的吸力直接将液体拉上来

B. 管内气压降低，外部大气压将液体压入吸管

C. 液体受重力作用从低处向高处流动

D. 吸管材料具有特殊的导液功能

第5题（计算题）（托里拆利实验）

在一次托里拆利实验中，测得管内水银柱高度为 $h = 750\text{ mm}$，水银的密度 $\rho = 13600\text{ kg/m}^3$，$g = 10\text{ N/kg}$。求此时当地的大气压强 $p_0$。

第6题（计算题）（吸盘承压分析）

一个圆形橡皮吸盘的直径为 $d = 8\text{ cm}$，贴在竖直光滑的墙壁上，使吸盘内部接近真空（内部气压约为0）。已知大气压 $p_0 = 1.0 \times 10^5\text{ Pa}$，$\pi \approx 3.14$，。

（1）求该吸盘受到的大气压压力 $F$；

（2）若吸盘与墙面的最大静摩擦力等于大气压压力，该吸盘理论上最多能挂多重的物品？

由液体压强公式：

$p_0 = \rho g h = 13600\text{ kg/m}^3 \times 10\text{ N/kg} \times 0.750\text{ m}$

$p_0 = 102000\text{ Pa} = 1.02 \times 10^5\text{ Pa}$

当地大气压为 $\boldsymbol{1.02 \times 10^5\text{ Pa}}$，略低于标准大气压（$1.013 \times 10^5\text{ Pa}$），说明该地点可能位于海拔略高的地区。

吸盘面积：

$S = \pi r^2 = 3.14 \times (0.04)^2 = 3.14 \times 0.0016 = 5.024 \times 10^{-3}\text{ m}^2$

大气压压力：

$F = p_0 \times S = 1.0 \times 10^5\text{ Pa} \times 5.024 \times 10^{-3}\text{ m}^2 = 502.4\text{ N}$

（2）最大静摩擦力 $f_{max} = F = 502.4\text{ N}$，挂载物品的重力 $G \leq f_{max}$，最大挂载质量：

$m = \frac{F}{g} = \frac{502.4\text{ N}}{10\text{ N/kg}} = 50.24\text{ kg}$

该吸盘理论上最多能挂约 50.2 千克 的物品。