论文部分内容阅读
同学们都知道，我们所居住的地球具有巨大的引力，吸引着大量气体聚集在地球周围，形成数千千米的大气层.像鱼类生活在水中一样，我们人类生活在地球大气的底部，并且一刻也离不开大气.
地球大气中包括：氮78%、氧21%、氩0.93%、二氧化碳0.03%、氖0.0018%，此外还有水汽和尘埃等.据科学家估算，大气质量约五千三百万亿吨，差不多占地球总质量的百万分之一，大气质量的90%聚集在离地表15千米高度以下的大气层内，99.9%在48千米以内.2000千米高度以上，大气极其稀薄，逐渐向星际空间过渡，无明显上界.有人认为，大气层的上界可能延伸到离地面6400千米左右.
大气层的质量真的大约是这么大吗？我们可以怎样来估测大气的总质量呢？
有同学提出由密度公式m=ρＶ，知道了空气密度和大气体积，不就可以计算出大气的总质量了吗？不过也有困惑：气体密度随离地面高度的增加而变得愈来愈小，而且不是均匀变化，所以在初中阶段同学们利用这个方法来计算大气的总质量显然是不行的.
下面向同学们介绍一种简便的估测大气总质量的方法，不过话还得从1640年10月的一天说起.
这一天，在离佛罗伦萨集市广场不远的一口井旁，意大利著名科学家伽利略在进行抽水泵实验.他把软管的一端放到井水中，然后把软管挂在离井壁三米高的木头横梁上，另一端则连接到手动的抽水泵上.抽水泵由伽利略的两个助手拿着，其中一个就是有着远大志向的科学家托里拆利.
托里拆利和另一个助手摇动抽水泵的木质把手，软管内的空气慢慢被抽出，水在软管内慢慢上升.抽水泵把软管吸得像扁平的饮料吸管，这时不论他们怎样用力摇动把手，水离井中水面的高度都不会超过9.7米，每次实验都是这样.
伽利略提出：水柱的重力以某种方式使水回到那个高度.
1643年，托里拆利又开始研究抽水机的奥妙.根据伽利略的理论，密度大的液体也能达到同样的临界重力，高度要低得多.水银的密度是水的13.5倍，因此，水银柱的高度不会超过水柱高度的1／13.5，即大约30英寸，约合76cm.
托里拆利把6英尺长的玻璃管装上水银，用软木塞塞住开口端.他把玻璃管颠倒过来，把带有木塞的一端放进装有水银的盆子中.正如他所预料的一样，拔掉木塞后，水银从玻璃管流进盆子中，但并不是全部水银都流出来，如图1所示.
托里拆利测量了玻璃管中水银柱的高度，与他料想的一样，水银柱的高度是76cm.然而，他仍在怀疑这一奥秘的原因与水银柱上面的真空有关.
第二天，风雨交加，雨点敲打着窗子，为了研究水银上面的真空，托里拆利一遍遍地做实验.可是，这一天水银柱只上升到73.5cm的高度.
托里拆利困惑不解，他希望水银柱上升到昨天实验时的高度.两个实验有什么不同之处呢？雨点不停地敲打着玻璃，他陷入沉思之中.
一个革命性的新想法在托里拆利的脑海中闪现.两次实验是在不同的天气状况下进行的，空气也是有重力的，对处于空气中的物体也会产生压力.抽水泵奥秘的真相不在于液体重力和它上面的真空，而在于周围大气的压力.
托里拆利意识到：大气由于空气的重力能对盆子中的水银施加压力，这种力量把水银压进了玻璃管中.玻璃管中水银的重力与大气向盆子中水银施加的压力应该是完全相等的.
大气压力改变时，它向盆子中施加的压力就会增大或减少，这样就会导致玻璃管中水银柱升高或下降.天气变化必然引起大气压力的变化.
于是托里拆利不仅发现了大气压力，还找到了测量和研究大气压强的方法.
同学们通过学习，已经知道大气压强是作用在单位面积上的大气压力，如图2所示即等于单位面积上向上延伸到大气上界的垂直空气柱的重力.
如果粗略地认为地球表面的大气压p都为1个标准大气压，而1标准大气压的值是已知的，地球的平均半径约6.4×106m.那么问题的求解思路就出来了：由地球表面积S和大气压p求出空气所受的总重力G，由总重力G再求出质量m.
求解过程：地球的表面积S=4πR2①
标准大气压p0=1.01×105Pa，
由压强公式p0=■②
又由公式F=G=mg③
把①③代入②并整理m=■.
把g=10N／kg、R=6.4×106m、p0=1.01×105Pa代入上式得m=5×1018kg.
答：地球大气的总质量约为5×1018kg，约合5000万亿吨.
通过阅读上面对问题的分析过程，可知物理知识是由一系列物理概念和规律构成的，而规律又总是反映着一些概念间的一定联系，解物理题时必须选用适当的规律，方程（公式），从而明确思维的目的和思路，像“估算地球大气层的空气质量”这样的问题，如果你对重力、压力、压强、大气压及p=F／S、F=G等这一系列的概念和公式不清楚.就会觉得无从下手，大费周折，而毫无结果.
因此，同学们在学习物理的过程中要弄清物理概念和规律的来龙去脉，可以多读一些物理学史，了解物理学家在研究过程中所用的思维方法和探究过程，这对帮助我们把握相关物理量之间的关系，培养清晰的解题思路和探寻高效的解题方法都是大有裨益的.
“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”
地球大气中包括：氮78%、氧21%、氩0.93%、二氧化碳0.03%、氖0.0018%，此外还有水汽和尘埃等.据科学家估算，大气质量约五千三百万亿吨，差不多占地球总质量的百万分之一，大气质量的90%聚集在离地表15千米高度以下的大气层内，99.9%在48千米以内.2000千米高度以上，大气极其稀薄，逐渐向星际空间过渡，无明显上界.有人认为，大气层的上界可能延伸到离地面6400千米左右.
大气层的质量真的大约是这么大吗？我们可以怎样来估测大气的总质量呢？
有同学提出由密度公式m=ρＶ，知道了空气密度和大气体积，不就可以计算出大气的总质量了吗？不过也有困惑：气体密度随离地面高度的增加而变得愈来愈小，而且不是均匀变化，所以在初中阶段同学们利用这个方法来计算大气的总质量显然是不行的.
下面向同学们介绍一种简便的估测大气总质量的方法，不过话还得从1640年10月的一天说起.
这一天，在离佛罗伦萨集市广场不远的一口井旁，意大利著名科学家伽利略在进行抽水泵实验.他把软管的一端放到井水中，然后把软管挂在离井壁三米高的木头横梁上，另一端则连接到手动的抽水泵上.抽水泵由伽利略的两个助手拿着，其中一个就是有着远大志向的科学家托里拆利.
托里拆利和另一个助手摇动抽水泵的木质把手，软管内的空气慢慢被抽出，水在软管内慢慢上升.抽水泵把软管吸得像扁平的饮料吸管，这时不论他们怎样用力摇动把手，水离井中水面的高度都不会超过9.7米，每次实验都是这样.
伽利略提出：水柱的重力以某种方式使水回到那个高度.
1643年，托里拆利又开始研究抽水机的奥妙.根据伽利略的理论，密度大的液体也能达到同样的临界重力，高度要低得多.水银的密度是水的13.5倍，因此，水银柱的高度不会超过水柱高度的1／13.5，即大约30英寸，约合76cm.
托里拆利把6英尺长的玻璃管装上水银，用软木塞塞住开口端.他把玻璃管颠倒过来，把带有木塞的一端放进装有水银的盆子中.正如他所预料的一样，拔掉木塞后，水银从玻璃管流进盆子中，但并不是全部水银都流出来，如图1所示.
托里拆利测量了玻璃管中水银柱的高度，与他料想的一样，水银柱的高度是76cm.然而，他仍在怀疑这一奥秘的原因与水银柱上面的真空有关.
第二天，风雨交加，雨点敲打着窗子，为了研究水银上面的真空，托里拆利一遍遍地做实验.可是，这一天水银柱只上升到73.5cm的高度.
托里拆利困惑不解，他希望水银柱上升到昨天实验时的高度.两个实验有什么不同之处呢？雨点不停地敲打着玻璃，他陷入沉思之中.
一个革命性的新想法在托里拆利的脑海中闪现.两次实验是在不同的天气状况下进行的，空气也是有重力的，对处于空气中的物体也会产生压力.抽水泵奥秘的真相不在于液体重力和它上面的真空，而在于周围大气的压力.
托里拆利意识到：大气由于空气的重力能对盆子中的水银施加压力，这种力量把水银压进了玻璃管中.玻璃管中水银的重力与大气向盆子中水银施加的压力应该是完全相等的.
大气压力改变时，它向盆子中施加的压力就会增大或减少，这样就会导致玻璃管中水银柱升高或下降.天气变化必然引起大气压力的变化.
于是托里拆利不仅发现了大气压力，还找到了测量和研究大气压强的方法.
同学们通过学习，已经知道大气压强是作用在单位面积上的大气压力，如图2所示即等于单位面积上向上延伸到大气上界的垂直空气柱的重力.
如果粗略地认为地球表面的大气压p都为1个标准大气压，而1标准大气压的值是已知的，地球的平均半径约6.4×106m.那么问题的求解思路就出来了：由地球表面积S和大气压p求出空气所受的总重力G，由总重力G再求出质量m.
求解过程：地球的表面积S=4πR2①
标准大气压p0=1.01×105Pa，
由压强公式p0=■②
又由公式F=G=mg③
把①③代入②并整理m=■.
把g=10N／kg、R=6.4×106m、p0=1.01×105Pa代入上式得m=5×1018kg.
答：地球大气的总质量约为5×1018kg，约合5000万亿吨.
通过阅读上面对问题的分析过程，可知物理知识是由一系列物理概念和规律构成的，而规律又总是反映着一些概念间的一定联系，解物理题时必须选用适当的规律，方程（公式），从而明确思维的目的和思路，像“估算地球大气层的空气质量”这样的问题，如果你对重力、压力、压强、大气压及p=F／S、F=G等这一系列的概念和公式不清楚.就会觉得无从下手，大费周折，而毫无结果.
因此，同学们在学习物理的过程中要弄清物理概念和规律的来龙去脉，可以多读一些物理学史，了解物理学家在研究过程中所用的思维方法和探究过程，这对帮助我们把握相关物理量之间的关系，培养清晰的解题思路和探寻高效的解题方法都是大有裨益的.
“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”