大气压强产生的原因深度研究

物理新课程教学案例

研究作业

教育学院

姓名马振

学号：2010251535

大气压强产生的原因

马振

在中学物理教学中,大气压强产生的原因是帮助学生深刻理解大气压强的重要前提。然而,在一些教辅资料中,错误地将大气压强产生的原因归结为大气受重力造成的,并过多地强调此原因,致使学生产生错误的认识,造成学生在高中学习气体定律时的理解障碍。本文对大气压强产生的原因做出了详细的阐释,并提出了一些合理化建议,希望能给中学物理教学以及编写与之有关的教辅资料有所帮助。

人教版九年义务教育四年制初中物理第一册教材162页中,只粗略地指出:“空气,也像液体那样能够流动,空气内部向各个方向也都有压强。大气对浸在它里面的物体的压强叫做大气压强,简称大气压或气压。”教材避开了对“大气压强是怎样产生?”的回答,尽管如此,学生在学习了液体压强知识之后,仿照液体压强产生的原因,顺理成章地认为大气压强是由于空气受到重力的作用、而且能流动产生的。而在一些学习辅导资料和一些练习题中又强调“大气压强是由于空气受到重力的作用、而且能流动产生的”, 促使学生对这一问题的认识进一步地深化。然而,“大气压强是因空气受重力而产生的”这个结论对吗?

我们知道,在重力场中,气体分子受到两种对立的作用:无规则的热运动使气体分子要均匀地分布于它们所能到达的空间;重力作用则会使气体分子聚集在地面上。这两种作用达到平衡时,气体分子在空间随高度作非均匀分布,分子数密度随高度而减小。

在重力场中,单个空气分子的能量为

E = E

K + E

P

(其中E

K

=1/2m v2是分子动能, E

P

是分子在力场中的势能)

一般说来分子势能依坐标而定,分子在空间的分布是不均匀的,所以所要研究的分子不仅速度应限定在一定的速度区间内,而且位置也应限制在一定的坐标区间内。当系统在力场中处于平衡状态时,由波尔兹曼分布规律可知:坐标介于区间x～x+ dx; y～y + dy; z～z + dz内,同时速度介于vx ～vx+ dvx ; vy ～vy + dvy ; vz ～vz + dvz 内的分子数为:

dN = n0m2πkT3 /2e- (εk +εp) / kT dvx dvy dvz dxdydz

式中n0 表示在势能:P = 0处单位体积内具有各种速度的分子总数。

上式对所有可能的速度积分,并考虑到麦克斯韦分布函数所应满足的归一化条件,则在坐标区间x～x + dx; y～y + dy; z～z + dz内单位体积内的分子数为: n = n0 e- E P / kTP / kT

根据玻尔兹曼分布规律,可以确定气体分子在重力场中按高度分布的规律,如取坐标轴z竖直向上,设在z = 0处单位体积内的分子数为n0,则不难推出在高度为z处体积元dxdydz内的分子数为:

dN ’= n

e- m gz / kT dxdydz

而分布在高度z处单位体积内的分子数(即分子数密度)则为:n = n0e - m gz / kT 由上式可以看出,在重力场中气体分子的数密度n随高度的增大按指数规律减小,分子的质量m越大(重力作用越显著) , n减小的越迅速;气体的温度T越高(分子的无规则运动越剧烈) , n减小的越缓慢,图1就是根据上式画出的n随高度z 分布的曲线。

应用上式,很容易确定气体压强随高度变化的规律,若把大气看作理想气体,则在一定温度下,其压强与分子数密度成正比: P = nkT 也就是

P = n

0 kTe- m gz / kT = P

e- m gz / kT = P

e-μgz /RT

式中P

0 = n

kT表示在z = 0处的压强,μ为气体的摩尔质量。将式用于地面

上的大气时所得到的结果是近似的, 因为大气的温度上下不均匀,没有达到平衡,但这并不影响我们得到重力对大气的影响情况。

由前面的式子我们可以得出结论:大气压的大小与大气所受重力的大小无关,只决定于所在处气体的密度和温度。

既然大气压强不是由于重力的作用而产生的,那么大气压强是怎么产生的呢?我们可以把空气看作理想气体: ( 1)分子本身的线度比起分子之间的平均距离来可以忽略不计。(2)分子之间、分子与物体表面之间相碰撞的一瞬间之外,分子与分子、分子与物体表面均无相互作用。(3)分子之间、分子与物体表面之间的碰撞是完全弹性碰撞, 即气体分子的动能不因碰撞而损失。设在任意形状的容器中贮有一定量的理想气体,体积为V,共含有N 个分子,单位体积内的分子数为n =N /V,每个分子的质量为m。分子具有各种可能的速度,为了讨论的方便, 可以把分子分成若干组来研究。

大气压强产生的实质是由于气体分子的热运动,导致气体分子对物体表面撞击而产生的。重力只是导致气体分子分布在竖直方向上按指数规律递减的原因,是大气压强产生的外因。

学生在学习了九年义务教育四年制初中物理第二册教科书的第二章《分子运动理论》以后, 知道了空气也和固体、液体一样是由大量分子构成的,这些空气分子都在不停地做无规则的热运动,空气分子必然要对浸在空气中的物体不断地发生碰撞. 每次碰撞,空气分子都要给予物体表面一个冲击力(象雨滴撞击雨伞产生撞击的压力一样) ,大量空气分子持续碰撞的结果就体现为大气对物体表面的压力,从而形成大气压。若单位体积内含有的分子数越多,则单位时间内空气分子对物体表面单位面积上碰撞的次数越多,因而产生的压强也就越大。

另外,利用空气分子的热运动产生的大气压强很容易解释大气压强受季风的影响、受气温的影响等现象。

关于《大气的压强》的一点建议：1.九年义务教育四年制初中物理第一册教材中,编者避开了对大气压强产生的原因的解释, 但是学生不自觉地还是要思考这个问题。持回避的态度,不如直接给学生讲解清楚, 从而也可以帮助学生对“液体压强公式P =ρgh只适用于液体压强的计算而不能计算气体压强的大小”的理解；2.现在很多教辅资料和练习题中过多地强调、强化大气压强是由于大气的重力产生的,是对学生的误导,对高中《气体定律》的学习造成一定的理解障碍。希望那些编写教辅资料的老师也能象九年义务教育四年制初中物理第一册教材的编者那样,避开对大气压强产生原因的强化,尽可能不涉及大气压强是由重力产生的练习题,避免对学生造成错误引导。