第 6 章　大气压强与流体压强

把橡胶吸盘按在光滑墙面上，它能牢牢挂住；给它装上挂钩，甚至还能承受不小的重物。你可能会说：“因为吸盘把墙吸住了。”可吸盘既没有磁性，也没有胶水，这个“吸”到底是谁在用力？

再做一个小实验：杯中装满水，用硬纸片盖住杯口，按住纸片把杯子倒过来，再慢慢松手。纸片没有立即落下，水也没有倾泻而出。纸片下方明明空荡荡的，是什么托住了它？答案就在我们每天身处其中、却常常忽略的空气里。

一、空气也会产生压强

1. 看不见的空气，能不能“按”物体

空气有质量，又受到重力作用，地球周围便包围着厚厚的大气层。大气会对浸在其中的物体产生压强，这种压强叫作大气压强，通常简称大气压。气体具有流动性，所以大气压不只向下，而是能向各个方向作用。

覆杯实验里，纸片上方受到水的压力，纸片下方受到大气向上的压力。实验条件合适时，向上的大气压力足以托住纸片和水。若杯口漏气，空气进入杯内，纸片上下的压力差减小，纸片就可能落下。

马德堡半球实验把这个效果放大了：两个贴合的半球内部空气被抽出一部分后，外界大气压把两半球紧紧压在一起。注意，是外面的空气在压，不是半球内部的“真空在吸”。

现在先判断一下：吸盘按上墙时，为什么要把盘内空气尽量挤出去？如果只是“按得越用力，吸盘的吸力越大”，那松手后这股手的力早已消失，吸盘为什么还能留在墙上？真正留下来的是盘内、盘外的气压差。

下面的辨析实验室把几种常见现象摆在一起。每次先找物体两侧的空气，再判断哪里气压大、压力指向哪里；不要见到“贴住”“吸起”就把功劳都记在“吸力”名下。

2. 实验现象怎样成为证据

只看到纸片不落，还不能立刻结束推理。我们要排除别的解释：换用没有磁性的纸片，说明不是磁力；保持杯口密封而改变杯子朝向，纸片仍可能不落，说明不只是重力方向碰巧合适；在纸片上扎孔或让空气进入，现象消失，说明密封和空气压力差是关键条件。

这种“改变一个条件，看现象是否随之改变”的思路，比背一句“大气压存在”更重要。中考实验题常问“为什么要装满水”“为什么杯口要平整”，得分点就在于防止空气进入、维持纸片两侧的压力差。

二、大气压究竟有多大

1. 托里拆利实验测出了大气压

知道大气压存在后，一个更难的问题来了：它有多大？普通测力计不能直接把整片天空挂上去称。托里拆利换了个思路——不直接抓住空气，而看它能托起多高的液柱。

在一根一端封闭的长玻璃管中装满汞，用手指封住管口，把管口倒插入汞槽后松开。管内汞面下降一段便停住，管顶形成近似真空。此时，外界大气压作用在汞槽液面上，支撑着玻璃管内的汞柱。

在海平面附近、温度适当的条件下，汞柱液面与槽内汞面之间的竖直高度差约为 $760\text{ mm}$。利用上一章的液体压强知识，管内汞柱产生的压强为

取 $\rho_{\text{汞}}=13.6\times10^3\text{ kg/m}^3$、$g=9.8\text{ N/kg}$、，可得

这个压强称为标准大气压。它相当于每平方米面积上承受约十万牛的压力，不过人体内外也有气压，彼此大体平衡，我们才不会感觉像被重物压住。

读数最容易错在哪里？玻璃管倾斜后，管内汞柱的长度变长，但支持大气压的是汞柱的竖直高度差，理想情况下这个高度差不变；若管中混入空气，管顶不再接近真空，管顶气体也会向下压汞柱，测得的高度就会偏小。

托里拆利实验中的汞有毒，玻璃管也有破裂风险，不能把它当作家庭小实验。实验室应由教师按安全规范演示，日常测量则可使用无液气压计或电子气压计。

不用汞也能做近似估测。把注射器活塞推到靠近筒底的位置并封住管口，缓慢向外拉，记录活塞刚开始匀速移动时测力计的示数 $F$，再量出活塞横截面积 $S$，可用 $p\approx F/S$ 估算大气压。为什么只说“近似”？因为活塞还受到摩擦，筒内也未必是真空，测力计示数并不完全等于大气压力。改进时应让注射器水平放置、缓慢拉动、多次测量取较稳定的示数，并尽量减小摩擦和漏气。实验题若只把数据代入公式，却不说明摩擦会使结果出现偏差，证据链还不完整。

2. 为什么不用水柱来做同样的实验

水的密度远小于汞。要让水柱产生同样大的压强，根据 $p=\rho gh$，水柱需要约 $10.3\text{ m}$ 高，普通教室很难布置；汞的密度大，所需液柱较短。因此，选择汞不是因为大气“只压得住汞”，而是为了让装置更紧凑、读数更方便。

三、大气压不是处处、时时相同

1. 高度升高，气压通常减小

从山脚向山顶走，上方空气柱逐渐变短，空气也更稀薄，所以大气压通常随海拔升高而减小。不过实际大气会随温度、天气等变化，气压与高度的关系不能在所有范围内简单看成一条不变的直线。

测量大气压的仪器叫作气压计。水银气压计依据液柱高度测量，无液气压计利用金属盒随气压变化发生微小形变。把气压计的刻度按高度标定，还可以制成高度计。

高原上大气压较低，水的沸点也随之降低，普通锅中水沸腾时的温度可能不到 $100^\circ\text{C}$，食物不易煮熟；压力锅使锅内气压升高，从而提高水的沸点。这里别把因果倒过来：不是“山高让火变冷”，而是气压变化影响了沸点。

同一地点的气压也会随天气变化。无液气压计中的弹性金属盒会随外界气压改变而发生微小形变，再通过传动机构带动指针。读天气资料时常见的单位还有百帕，$1\text{ hPa}=100\text{ Pa}$。看到两地气压不同，不能只凭一个数值就断定一定是高度造成的，还要留意测量时刻、天气和仪器条件。

2. 生活装置怎样利用气压差

用吸管喝饮料时，嘴先使管内气压降低，液面上方的大气便把饮料压入吸管。活塞式抽水机中，活塞运动使泵内气压减小，外界大气压把低处的水推上来。标准大气压理论上只能支持约 $10.3\text{ m}$ 水柱，实际装置还受漏气、摩擦等影响，所以抽水机的吸水高度不可能无限增加。

喷雾器则把大气压和流动空气结合起来：管口上方空气快速流过，那里压强降低，容器液面受到的较大气压把液体推上细管，液体再被高速气流吹散成小液滴。

解答应用题时可以沿着同一条路线走：先找装置内外两处压强，再判断哪边较大，最后写清压力差把谁推向哪里。只写“利用大气压”通常还没有把工作过程解释完整。

四、流体流得越快，压强会怎样

1. 两张纸为什么会靠拢

并排悬挂两张纸，向两张纸中间吹气。你可能会猜气流把纸向两边撞开，可实际常看到两张纸向中间靠拢。空气和液体都能流动，统称流体。在常见的稳定流动情境中，流体流速较大的位置压强较小，流速较小的位置压强较大。

两张纸中间的空气流速大、压强小，纸外侧空气较慢、压强较大，于是外侧较大的压力把纸推向中间。单张纸条上方吹气时，纸条上方气流快、压强小，下方压强较大，纸条便会向上抬起。

要让这个实验更有说服力，可以先让两张纸自然下垂，记录它们的间距；再只改变纸间气流，观察间距如何变化；最后停止吹气，看纸是否恢复。吹气方向应尽量沿纸面，不能直接把气流斜吹到纸上，否则纸的运动可能来自气流直接撞击，反而不能清楚检验流速与压强的关系。先预测、再操作、再用压力差解释，才算把现象变成规律的证据。

2. 机翼为什么能获得向上的力

机翼横截面通常不是上下完全对称的。飞机前进时，机翼上方空气流速通常较大、压强较小，下方空气压强较大，上下表面的压力差形成向上的力，这就是升力的重要来源。

注意，这是帮助初中生理解压强差的简化图景，不要编造“上下两股空气必须同时到达机翼后缘”的理由。真实升力还与机翼形状、飞行姿态以及气流方向改变等因素有关，本章不展开更复杂的流体模型。

列车高速驶过时，靠近列车一侧的空气流速较大、压强较小，外侧较大的气压可能把人推向列车，因此候车必须站在安全线外。两艘船高速并排且距离过近时，船间水流可能更快、压强更小，两船也可能被外侧较大的压力推近。这些现象都不是“速度把物体吸过去”，而是流速差先造成压强差，再由压力差改变物体的运动。

学完本章，可以把判断过程压缩成两条线索。遇到密封、吸取、抽气装置，先比较内外气压；遇到正在流动的气体或液体，先比较各处流速，再判断压强和合力方向。中考解释题常见失分点，正是只报出规律而没有指出“哪边快、哪边压强小、物体被推向哪边”。

下一章我们会把注意力转向浸在液体里的物体。大气能托住纸片，水又为什么能托起船？这个向上的力会不会也和物体排开的液体有关？浮力与阿基米德原理会把这条线索继续接下去。

课后练习