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空氣是如何稱重的?

伽利略最巧妙的實驗之壹是測量空氣質量。其實這個想法是亞裏士多德想出來的,伽利略只是照著做,做得更仔細。伽利略還提到了周圍空氣的阿基米德浮力效應,即必須考慮它對被稱空氣的影響。伽利略發現空氣的密度大約是水的1/400。今天我們知道值是1/773,但是能得到這樣的結果已經相當不錯了。現在,我們用壹些身邊容易找到的材料,壹起做壹個測量。

我們先做壹些量化的估計。汽車車頂大概1平米,壓在我們車頂的大氣柱是10噸。汽車之所以沒有被壓壞,是因為汽車的每個表面承受的壓力都是壹樣的。但如果車內完全密封,內部用機械泵抽真空,是否經得起考驗值得懷疑。壹個長50米,寬15米,高8米的大廳,大概有8噸空氣。容積為1升的瓶子裏有1.29克空氣。雖然質量很小,但用精密天平很容易稱出來。當然也可以用伽利略和《科學世界》的讀者掌握的方法來衡量。在此之前,我們先來聽聽伽利略是怎麽說的!妳可能不會馬上理解,但是在我們解釋了直接從伽利略那裏學到的方法之後,妳很快就會明白了。

伽利略是這麽說的。

伽利略在與兩個朋友薩格雷多和辛普利西奧交談時是這樣解釋的:“有壹個簡單的方法,只要有壹個瓶子...除了原來的空氣不要往裏面註入空氣,往裏面加水,但是不要讓空氣出來。這樣空氣會被擠壓,體積會變小。瓶子裏盡量多加水,也可以不用太用力往瓶子裏註入3/4的水。把瓶子放在天平上,仔細稱壹稱。然後,握住瓶頸,打開軟木塞,讓空氣排出。出來的空氣正好是瓶子裏的水的體積。然後把瓶子放在天平上,瓶子會因為有空氣逸出而變輕;去掉的額外重量是空氣的質量,與瓶中水的體積壹樣大。”

稍後我們將討論如何在家中制作可用的天平。如果我們已經有了天平,那麽稱量空氣質量的方法就更簡單直接了。

更實用的方法

拿壹個上面提到的鋁瓶,用橡皮塞塞住。瓶塞不能太厚,使註射器針頭容易被刺穿,但厚度要保證針頭拔出後瓶子的密封性能。塞子要用鐵絲系好,就像系香檳的瓶子壹樣。拿壹個較大的註射器(藥店有售),用它往容器裏註水,可能要花好幾次。

根據伽利略的描述,向容器中註入3/4的水並不難,這樣空氣的體積就變成了原來的1/4。我們用具體的數字來說明,如果瓶子的體積是400立方厘米,那麽在開始時,瓶子裏有400立方厘米的空氣,壓力為1個大氣壓。註水後,水占300立方厘米的空間,空氣只占100立方厘米。由於沒有空氣逸出,壓力增加到4個大氣壓。

現在,第壹次稱重:測量300立方厘米的水和400立方厘米的空氣(但已經壓縮到100立方厘米)的質量,包括瓶子和塞子的質量。下壹步是將針插入塞子,放出裏面的壓縮空氣,使裏面的空氣壓力達到壹個大氣壓。讓我們稱300立方厘米的水和100立方厘米的空氣(當然還有瓶子和塞子)。兩次測量的差值就是300立方厘米空氣的質量:這個差值很小,但並不難測量,因為需要做的就是確定兩次稱重的差值。圖1中對過程的解釋有助於我們的理解。

如果讀者根據上面給出的數字選擇容器,向其中註入3/4的水,假設天平沒問題,那麽相差388 mg,比壹片阿司匹林輕不了多少,空氣密度為0.388/300=0.001293 g/cm3,正好是水的1/773。但是,由於天平本身的原因,有些誤差是不可避免的。

自制簡單而靈敏的裝置

現在來解決核心問題——平衡,看看怎麽讓它更靈敏。問題的關鍵在於支點,它的接觸面積要越小越好。有很多方法可以做到這壹點:例如,使用三個薄刀片,這是設計師用來切割紙板。葉片放置方法如圖2所示:下兩個錘成壹塊木頭作為底座,上壹個葉片嵌在壹塊木頭中間,相當於壹個平衡臂(等臂平衡)。現在需要給平衡臂配備兩個托盤:壹個托盤裝要稱重的容器(第壹次稱重時裝壓縮空氣的瓶子),另壹個托盤裝重量。正如伽利略在他的實驗中建議的那樣,用細沙做砝碼是壹個極好的選擇。

這樣小心的找平後,按照前面的方法放出壓縮空氣,輕輕的去掉壹點沙子(不要扔掉)恢復平衡。這時候如果家裏沒有精密的天平,不妨去藥店或者金匠那裏,請他們幫忙稱壹下我們拆下來的沙子的質量(註意不要丟壹粒沙子),大概是0.5克左右。如果妳能找到校準自己天平的方法,妳就不必麻煩藥劑師了(校準天平的方法是有的,但我們留給讀者自己去想)。

阿基米德的浮力是不變的

現在,讓我們看看阿基米德浮力的作用。正如我們在開頭提到的,這也是伽利略所擔心的。浮力確實存在,瓶子和沙堆受到的力也不壹樣,因為它們排開的空氣體積不同。但我們可以忽略這種稱重方法中浮力的影響:兩次稱重中瓶子的阿基米德浮力是壹樣的,因為瓶子的體積沒有變化(有很小的變形,忽略體積變化);沙子的浮力幾乎沒有變化,因為移走的沙子太小,不能忽略。最後但同樣重要的是,別忘了告訴我們實驗結果。

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