自在学

我们与你共同进步

  • 分类课程
  • 文章
  • 工作台
  • 订阅

  • 关于我们
  • 隐私政策
  • 使用条款

探索

  • 分类课程
  • 文章
  • 工作台
  • 订阅

网站信息

  • 关于我们
  • 隐私政策
  • 使用条款

加入社区

自在学学习社区微信二维码

微信扫码,交流学习

株洲市自在学教育科技有限公司© 2025 - 2026 版权所有

© 2025 - 2026 株洲市自在学教育科技有限公司 版权所有

湘公网安备43020302000292号|湘ICP备2025148919号-1
分类课程工作台文章订阅
分类课程工作台文章价格

初级物理二

  1. 01运动的描述
  2. 02力的合成与平衡
  3. 03牛顿第一定律
  4. 04压强
  5. 05大气压强
  6. 06浮力
  7. 07功与能
  8. 08机械能
  9. 09热与内能
  10. 10电与磁场
  11. 11单电路
  12. 12电压与电阻
正在加载课程章节内容
课程物理初级物理二大气压强

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。

welearn-29939417.webp

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。

马德堡半球实验的核心原理:两个半球之间没有任何黏合,仅靠外部大气压的压力将它们压紧在一起。内外气压差越大,所需的拉开力就越大。

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:

p0=ρghp_0 = \rho g hp0​=ρgh

代入数值:ρ=13600 kg/m3\rho = 13600\text{ kg/m}^3ρ=13600 kg/m3,g=10 N/kgg = 10\text{ N/kg}g=10 N/kg,h=0.760 mh = 0.760\text{ m}h=0.760 m:

p0=13600×10×0.760=103360 Pa≈1.013×105 Pap_0 = 13600 \times 10 \times 0.760 = 103360\text{ Pa} \approx 1.013 \times 10^5\text{ Pa}p0​=13600×10×0.760=103360 Pa≈1.013×105 Pa

托里拆利实验中管内必须用水银,不能用水。若换用水,需要约10.3米高的水柱才能平衡大气压,玻璃管太长,实验无法操作。水银的密度是水的13.6倍,因此只需760毫米便足够。


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 p0p_0p0​:

p0=1.013×105 Pa≈101325 Pap_0 = 1.013 \times 10^5\text{ Pa} \approx 101325\text{ Pa}p0​=1.013×105 Pa≈101325 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。

Gemini_Generated_Image_yevhp7yevhp7yevh (1).png

1.013×1051.013 \times 10^51.013×105 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 m2S = 0.01\text{ m}^2S=0.01 m2)上,所产生的压力为:

F=p0×S=1.013×105 Pa×0.01 m2=1013 NF = p_0 \times S = 1.013 \times 10^5\text{ Pa} \times 0.01\text{ m}^2 = 1013\text{ N}F=p0​×S=1.013×105 Pa×0.01 m2=1013 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。

标准大气压约为 1.013×105 Pa1.013 \times 10^5\text{ Pa}1.013×105 Pa,等效于760毫米高水银柱产生的压强。它虽然很大,却因为内外平衡而不被我们察觉。


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=ρghp = \rho g hp=ρgh 类似:高度越低,上方的气柱越长,重力越大,压强也越大。

welearn-21439903.webp

  • 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。

地点大气压(近似)水的沸点
海平面1.013×105 Pa1.013 \times 10^5\text{ Pa}1.013×105 Pa100°C
拉萨(海拔3650 m)约 6.6×104 Pa6.6 \times 10^4\text{ Pa}6.6×104 Pa约88°C
珠峰大本营(海拔5200 m)约 5.2×104 Pa5.2 \times 10^4\text{ Pa}5.2×104 Pa约83°C

大气压随高度升高而减小,水的沸点也随之降低。高压锅正是利用密封加压原理,使锅内气压高于标准大气压,让水在更高温度下沸腾,从而缩短烹饪时间。


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。

操作内部气压外部大气压结果
拉出活塞减小(低于大气压)1.013×105 Pa1.013 \times 10^5\text{ Pa}1.013×105 Pa药液被压入注射器
推入活塞增大(高于大气压)1.013×105 Pa1.013 \times 10^5\text{ Pa}1.013×105 Pa药液被推出注射器

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=p0×SF_{最大} = p_0 \times SF最大​=p0​×S

一个直径为5 cm的圆形吸盘,面积 S=πr2=3.14×(0.025)2≈1.96×10−3 m2S = \pi r^2 = 3.14 \times (0.025)^2 \approx 1.96 \times 10^{-3}\text{ m}^2S=πr2=3.14×(0.025)2≈1.96×10−3 m2,理论最大压力为:

F=1.013×105×1.96×10−3≈198 NF = 1.013 \times 10^5 \times 1.96 \times 10^{-3} \approx 198\text{ N}F=1.013×105×1.96×10−3≈198 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。

“吸”的动作本身并不把液体“拉”上来,而是降低了管内气压,大气压从外部将液体“推”上去。在真空中使用吸管什么都喝不到,原因正是缺少大气压的“推力”。

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

答案:C

高海拔处大气压低于海平面。托里拆利实验中,水银柱高度反映大气压的大小,气压越低,水银柱越短。因此迁移到山顶后,水银柱高度降低,答案选 C。

第2题(标准大气压)

标准大气压的数值约为多少帕斯卡?

A. 1.013×103 Pa1.013 \times 10^3\text{ Pa}1.013×103 Pa

B. 1.013×104 Pa1.013 \times 10^4\text{ Pa}1.013×104 Pa

C. 1.013×105 Pa1.013 \times 10^5\text{ Pa}1.013×105 Pa

D. 1.013×106 Pa1.013 \times 10^6\text{ Pa}1.013×106 Pa

答案:C

标准大气压 p0=1.013×105 Pa≈101325 Pap_0 = 1.013 \times 10^5\text{ Pa} \approx 101325\text{ Pa}p0​=1.013×105 Pa≈101325 Pa,对应760 mm高水银柱产生的压强。答案选 C。

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

答案:B

高原地区海拔高,大气压低于标准大气压,水的沸点随之降低(如拉萨约88°C)。普通锅不能密封加压,水沸腾时温度不足100°C,因此食物需要更长时间才能熟透。答案选 B。

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

答案:B

吸管喝饮料的本质:嘴的动作使管内气压降低,而杯外液面受到正常大气压(约 1.013×105 Pa1.013 \times 10^5\text{ Pa}1.013×105 Pa)的压力,内外气压差将液体沿吸管向上推入口中。并非“吸力”直接拉液体,而是大气压在“推”液体。答案选 B。

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 mmh = 750\text{ mm}h=750 mm,水银的密度 ρ=13600 kg/m3\rho = 13600\text{ kg/m}^3ρ=13600 kg/m3,g=10 N/kgg = 10\text{ N/kg}g=10 N/kg。求此时当地的大气压强 p0p_0p0​。

解题过程:

已知:h=750 mm=0.750 mh = 750\text{ mm} = 0.750\text{ m}h=750 mm=0.750 m,ρ=13600 kg/m3\rho = 13600\text{ kg/m}^3ρ=13600 kg/m3,g=10 N/kgg = 10\text{ N/kg}g=10 N/kg

由液体压强公式:

p0=ρgh=13600 kg/m3×10 N/kg×0.750 mp_0 = \rho g h = 13600\text{ kg/m}^3 \times 10\text{ N/kg} \times 0.750\text{ m}p0​=ρgh=13600 kg/m3×10 N/kg×0.750 m

p0=102000 Pa=1.02×105 Pap_0 = 102000\text{ Pa} = 1.02 \times 10^5\text{ Pa}p0​=102000 Pa=1.02×105 Pa

当地大气压为 1.02×105 Pa\boldsymbol{1.02 \times 10^5\text{ Pa}}1.02×105 Pa,略低于标准大气压(1.013×105 Pa1.013 \times 10^5\text{ Pa}1.013×105 Pa),说明该地点可能位于海拔略高的地区。

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 cmd = 8\text{ cm}d=8 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 p0=1.0×105 Pap_0 = 1.0 \times 10^5\text{ Pa}p0​=1.0×105 Pa,π≈3.14\pi \approx 3.14π≈3.14,g=10 N/kgg = 10\text{ N/kg}g=10 N/kg。

(1)求该吸盘受到的大气压压力 FFF;

(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?

解题过程:

(1)吸盘半径 r=d2=8 cm2=4 cm=0.04 mr = \dfrac{d}{2} = \dfrac{8\text{ cm}}{2} = 4\text{ cm} = 0.04\text{ m}r=2d​=28 cm​=4 cm=0.04 m

吸盘面积:

S=πr2=3.14×(0.04)2=3.14×0.0016=5.024×10−3 m2S = \pi r^2 = 3.14 \times (0.04)^2 = 3.14 \times 0.0016 = 5.024 \times 10^{-3}\text{ m}^2S=πr2=3.14×(0.04)2=3.14×0.0016=5.024×10−3 m2

大气压压力:

F=p0×S=1.0×105 Pa×5.024×10−3 m2=502.4 NF = p_0 \times S = 1.0 \times 10^5\text{ Pa} \times 5.024 \times 10^{-3}\text{ m}^2 = 502.4\text{ N}F=p0​×S=1.0×105 Pa×5.024×10−3 m2=502.4 N

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

m=Fg=502.4 N10 N/kg=50.24 kgm = \frac{F}{g} = \frac{502.4\text{ N}}{10\text{ N/kg}} = 50.24\text{ kg}m=gF​=10 N/kg502.4 N​=50.24 kg

该吸盘理论上最多能挂约 50.2 千克 的物品。

上一章压强下一章浮力