【坚果教育】马德堡半球：展现大气压强的传奇实验
在科学发展的漫漫长河中，17世纪的马德堡半球实验宛如一颗璀璨的明珠，以其震撼人心的演示，向世人揭示了大气压强这一神秘而强大的力量，对物理学的发展产生了深远影响。
️一、实验背景
17世纪，人们对于大气的认知还处于相对懵懂的阶段。当时，抽水机已应用于矿井抽水，然而意大利塔斯坎宁公爵在佛罗伦萨建造喷水池时，却遭遇了深井中的水无法被强力抽水机抽出的难题。向伽利略请教后，得到的解释是井太深，水因自身重量掉落。但伽利略的继承者托里拆利对此产生怀疑，他猜测水面存在大气压力，为验证这一假设，托里拆利进行了著名的实验：用1米长一端封闭的玻璃管装满水银倒置在水银槽里，发现水银柱下降到76厘米左右不再下降，表明大气对水面的压强相当于76厘米高水银柱产生的压强。该实验传到法国，帕斯卡和柏里耶通过实验证实大气压随高度增加而减小。而马德堡市市长奥托・冯・格里克，这位热衷于科学研究的人士，在了解到这些情况后，决定通过更直观的方式来证明大气压强的存在，于是，马德堡半球实验应运而生。
️二、实验过程与发展
1654年5月8日，奥托・冯・格里克在罗马帝国的雷根斯堡市郊进行了这场意义非凡的实验。他精心制造了两个直径约50厘米的铜质空心半球，半球中间垫有浸满油的皮革，以确保紧密密合。其中一个半球带有连接管，可连接真空泵，并有阀门用于关闭。当真空泵将半球内的空气抽出，内部形成真空状态后，外部大气压强开始发挥作用，将两个半球紧紧地压在一起。为了展示大气压强的强大力量，格里克组织了16匹马，分为两组向相反方向拉扯半球。在众目睽睽之下，16匹马拼尽全力，最终才将半球拉开，拉开瞬间发出的巨大响声，如同放炮一般，让围观者大为震惊。
此后，格里克为了让更多人见证这一神奇现象，多次在各地重复实验。1656年，在他任职市长的马德堡，用两队各8匹马重复实验，得到相同结果，并且他还尝试将抽出空气的半球悬挂重物，半球依然未分离；1663年，在柏林，他为勃兰登堡选帝侯腓特烈・威廉用两队各12匹马再次演示了该实验。
️三、实验原理
在抽气前，半球内部和外部的压力都等于大气压，处于平衡状态。然而，当半球内空气被抽出形成真空后，内部压力急剧减小，几乎为零，而外部依然受到大气压强的作用。根据压强的定义，压强等于压力除以受力面积，此时半球受到的外部大气压力远大于内部压力，就好像有一双无形的大手将两个半球紧紧“压” 在一起，这就是为什么需要极大的力量才能将它们拉开。从微观角度用分子动理论解释，气体由大量做无规则运动的分子组成，这些分子不断对浸在其中的物体表面发生碰撞，大量分子持续碰撞的结果体现为大气对物体表面的压力，形成大气压。单位体积内分子数越多，相同时间内对物体表面单位面积碰撞次数越多，产生的压强就越大。在马德堡半球实验中，半球外部大量空气分子的持续碰撞产生强大压力，使得半球难以分开。
️四、实验意义与影响
马德堡半球实验具有多方面的重要意义。首先，它以直观且极具震撼力的方式，无可辩驳地证明了大气压强的存在，让人们对大气的性质有了全新的认识，打破了以往对自然现象的一些错误认知，为后续关于大气压强的深入研究奠定了坚实基础。其次，该实验引发了科学界对大气压强和真空现象的浓厚兴趣，激励了众多科学家投身相关研究，推动了物理学、气象学、流体力学等学科的发展。例如，罗伯特・玻意耳在了解到格里克的真空泵后，与罗伯特・胡克合作设计并制造了改进的空气泵，并通过一系列实验得出了玻意耳定律。此外，马德堡半球实验因其戏剧性和震撼性，成为科学知识普及的经典案例，使得更多人对科学产生兴趣，促进了科学知识在大众中的传播。从更广泛的社会层面看，它也象征着马德堡市在经历三十年战争的重创后走向复苏，格里克以市长和科学家的双重身份，通过这个实验展示了城市的活力与创新精神。
马德堡半球实验在科学史上留下了浓墨重彩的一笔，它所揭示的大气压强原理，不仅在科学研究中发挥着关键作用，也在日常生活和众多技术应用中有着广泛体现，如真空包装、气压计原理、飞机飞行原理等都与大气压强密切相关。这个实验如同一个科学的火种，点燃了人类探索自然奥秘的热情，持续影响着后世的科学发展和技术进步。
