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提酒器中的物理原理

(2008-06-16 04:38:08)
标签:

教育

分类: 科普之窗

615中央电视台播出的《鉴宝》栏目中,有一件汉代的“提酒器”引起了我的注意。这件青铜容器造型独特,下部盛酒容器似一个钟形(下面开孔),上部为一根三竹节的铜管,顶部有提纽。(凭印象画出了其外形)

 

提酒器中的物理原理

 

文物专家们鉴定后给这件青铜容器估价2万元,没有介绍它的用法,只是很简单地提到其中含有物理原理,也未能详细地给观众们作介绍。在此我就补充作一介绍:

这件青铜提酒器的用法十分简单——一手提着顶部的提纽,并将铜管上部的开孔处堵住,将下部的盛酒容器浸没到酒坛中,然后提起“提酒器”移至酒碗上方,松开铜管上部的开孔处,酒就自动地“倒入”酒碗中了。

这是什么原理呢?

这件青铜提酒器充分利用了大气压。物理知识告诉我们,在地球表面存在着大气压,这个由于大气重量所造成的压强不算小,一个标准大气压为1.013×105帕,这相当在一平方米的面积上压了10.13吨的重物。有人可能对此提出疑义——这么大的压强,生活在地球上的动物(包括人类)怎么受得了?实际上动物(包括人类)都在呼吸,在呼吸中肺部内也存在有与外界相同的气压,两相抵消,因此在通常情况下人们并感觉不到大气压的存在。

要证明大气压的存在,可以有很多简单的实验办法,譬如找来两块干净的平板玻璃,在其中均匀地撒一些水,将这两块玻璃板合上,那么你用多大的劲也无法将这两块玻璃板分开(不能用平行错开的方式),这就是大气压的威力!

在初中物理实验中,有一个十分有趣的实验——“马德堡半球实验”:将两个半球形的金属容器对扣在一起,用抽气机将其中的空气抽去,两个人分别在两边用力拉各自的半球,最终都拉不开。这个实验曾经在1654年由德国马德堡市的市长奥托.格里科给市民们作了表演。他让助手把两个直径30多厘米的空心铜半球紧贴在一起,用抽气机抽出球内的空气,然后用两队马向相反的方向拉两个半球。“连16匹马(拚命挣扎着)都不能把它们拉开,或者只有费了很大的劲才能拉开它们,当马用尽了全力把两个半球最后拉开的时候,还发出了很大的响声,像放炮一样”,这让市民们对大气压有了深刻的认识。11年后,即1665年,伽利略的学生——意大利科学家托里拆利在一根一端封闭的80厘米长的细玻璃管中注满水银后,倒置在盛有水银的水槽中,发现玻璃管中的水银大约下降了4厘米后就不再下降了。这4厘米的空间无空气进入,是真空。托里拆利据此推断大气的压强就等于水银柱的长度。根据压强公式 P=ρgh,科学家们准确地算出了大气压在标准状态下为1.013×105Pa

水银是密度最大的液体,密度达13.6×103千克/立方米,即一立方米的水银的质量为13.6吨,是水的密度的13.6倍。托里拆利实验证明,大气压可以支持76厘米高的水银柱,那么也必然可以支持0.76×13.6米(10.34米)高的水柱。抽水机就是利用这个原理制成的,在此你也会想到,普通抽水机的扬程绝不可能超过10.34米。若提升水的扬程要超过10.34,可以采用建分级抽水站,或利用虹吸原理。

托里拆利实验也可以用一根两端开口的长细玻璃管中注满水银来做,只是在实验时要将顶部的玻璃管开口处堵住。汉代在这件“提酒器”就相当于托里拆利实验。由于盛酒容器浸没在酒坛里,与之连通的铜管里还有空气,因此酒柱上升高度有限。(若上部为真空,且铜管足够的长,那么大气压就可以支持11米高的酒柱。酒精的密度只有0.8×103千克/立方米,比水的密度小,酒的密度应大于酒精,而小于水)

既然大气压能支持10.34的水柱,那么对于盛酒容器中的短短的酒柱就自然不在话下(在顶部封闭情况下)。倒(放)酒时,由于顶部的封闭孔打开与外界大气连通,上下大气压相抵,盛酒容器中的酒由于收到地球的引力,自然就流了下来。

汉代的这件“提酒器”比起托里拆利实验早近二千年,而且具有实用价值,真正体现了古代我国劳动人民的聪明智慧!

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