1660
研究人员:
罗伯特·波义耳
罗伯特·胡克
研究领域:
气体力学
结论:
一定质量的气体体积与它的压力成反比
轮胎为什么要充气?
气压和真空的力量
1627年1月25日,罗伯特·波义耳出生在爱尔兰南岸的利斯莫尔城堡里。少年波义耳曾跟随一位法国导师游历欧洲,回家以后,便决心要成为一名科学家。他加入了一个名叫“无形学院”的组织。该组织后来更名为“伦敦自然知识促进会”,然后逐渐变成了今天的皇家学会。
马德堡半球
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马德堡市长奥托·冯·居里克在1654年制造了一个气泵,希望借此展示真空的力量,更确切地说,是气压的力量。1657年,居里克用气泵抽空了两个直径12英寸(约30厘米)的铜半球,于是气压让两个半球紧紧地合在了一起,就连两组马都无法将它们拉开;直到居里克将空气重新注入球内,两个半球立即毫不费力地分开了。
马德堡半球
与此同时,波义耳继承了爱尔兰的几片土地和一笔财富,移居到了牛津。他对托里拆利和帕斯卡的工作有所了解,听说了马德堡半球实验后,他雇用罗伯特·胡克制造了一个气泵,做了一系列实验。1660年,波义耳将自己的实验结果结集出版,这本书名叫《力学新实验:关于空气弹性及其效应的物理》。
气泵实验
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波义耳和胡克用气泵抽空了一个很大的钟形玻璃罐,容器内的气压可能还不到正常气压的十分之一,几乎可以视为真空。抽空玻璃罐之前,他们在里面放置了一些实验装置。这两位科学家的真空实验得出了下面的结果:
·燃烧的蜡烛会熄灭,这说明火焰燃烧需要空气。
·外部观察者无法听见真空罐里的铃铛发出的声音,所以声音需要空气才能传播。
·烧红的铁在真空中会继续发光,所以光的传播不需要空气。
·真空罐内的鸟和猫都死了,因此空气是生命的必需品。
J形管实验
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在波义耳和胡克的实验中,如左图左侧所示,玻璃管内的水银将一小段空气封闭在管子末端。如果把管子放进钟形罐里,然后抽空罐子里的空气,玻璃管内的空气承受的压力就会减小;而若是继续往管子里注入水银,封闭空气承受的压力就会增大,如左图右侧所示。
J形管
波义耳和胡克发现,如果压力减小,玻璃管内的空气体积就会变大;若是压力变大,空气体积则会缩小,但波义耳在书中并未深入探讨这一现象。
与此同时,在英国的兰开夏,汤利庄园的理查德·汤利与物理学家亨利·鲍尔也用J形管做了一系列实验。1661年4月27日,这对搭档在潘多山海拔约1000英尺(约300米)的山腰上用J形管采集了一份“山谷空气”样品。到达山顶以后,由于这里的气压较低,他们发现管子里的空气体积变大了。于是两位科学家又采集了一份“山顶空气”。回到山脚下以后,他们发现,空气体积缩小了。
那一年冬天,汤利和波义耳讨论了自己的实验,他提出,空气的体积和压力之间可能存在反比关系。于是波义耳做了几个定量实验,然后一丝不苟地记录下了自己的观察结果,最后他得出结论,一定质量的气体体积与它的压强成反比,这就是现在我们所知的“波义耳定律”。
空气的弹性
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波义耳认为,空气由无数极小的羊毛圈似的微粒组成,这些粒子在受力时会像弹簧一样压缩,不过一旦压力消失,它们立刻就会反弹回来。他专门写了一本书来阐述空气的弹性。正是出于这个原因,我们的汽车和自行车都采用了充气的轮胎,因为空气的弹力有助于减轻路面的颠簸。
气压计
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有传言称,托里拆利并未发现静置的玻璃管里水银柱的高度会出现细微的变化,但波义耳和胡克的确注意到了这个现象,他们推测,这可能和潮汐的变化有关。不过经过反复观察,两位科学家发现,水银柱的高度和潮涨潮落毫无关系,实际上,水银柱在天气晴朗时会升高,阴云密布时则会降低,尤其是在暴风雨来临的时候,水银柱会出现明显的下降。所以,气压计的发明者应该是波义耳和胡克,而不是托里拆利——虽然他的确为两位后来者指明了方向。