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本科生科研指南(58):气体定律之盖-吕萨克的空中探险 精选

已有 3190 次阅读 2020-8-21 08:38 |个人分类:本科科研|系统分类:教学心得| 本科生, 科研, 创新思维

 

本科生科研指南(58):气体定律之盖-吕萨克的空中探险

 

张宇宁

华北电力大学(北京)

 

在任何情况下,都应该使我们的推理受到实验的检验,除了通过实验和观察的自然道路去寻求真理之外,别无他途。

---拉瓦锡(Antoine Lavoisier,1743-1794)

 

当18世纪的化学家们忙于发现各种新气体之时,物理学家们也一直异常繁忙地在探讨着气体的物理性质及规律。在这个阶段,与气体有关的很多现象令物理学家们着迷。起初,托里拆利发现气体压力随着温度而改变。后来,帕斯卡通过测量不同高度处的大气压发现了其随着高度的变化而逐渐降低。人们自然而然地好奇于天空中距离地面很远的地方处气体的各类性质。基于对天空的好奇以及对气体定律的兴趣,很多科学家采用了气球进行空中探险,以求探寻这些现象背后的客观规律。盖-吕萨克便是上述探险成员中杰出的一位,他以7016米的高度保持空中探险的世界纪录长达50年。

 

一、科学问题

 

随着越来越多种类的气体被发现,人们自然希望知道气体的各种物理性质及气体各个状态参数之间应遵循的规律。具体而言,出于对天空的敬畏和好奇,在天空中各处气体所具有的压强和温度是人们当时非常关心的热门话题。相关的科学问题可以概况为:随着高度的变化,气体的压强会发生怎么样的变化?上述变化之间是否遵循明确的物理定律?

 

二、研究历程

 

高空探索的发展依赖于热气球等技术的进步1783年9月19日,在法国的凡尔赛宫,一只巨大的热气球被放飞。在其吊篮里,乘客有三个,分别是一只山羊、一只鸭子和一只公鸡。1783年11月21日下午2时,罗齐尔和朋友乘坐热气球飘过了塞纳河和巴黎市区,高度达到了3000英尺(约4827.9米),当时引起了不小的轰动。后来,热气球的探索不断,包括飞跃英吉利海峡进而实现了从英国飞到法国等等。

当时的热气球较为笨重,体积很大,且续航能力较弱。热气球的上升主要是靠自带的稻草等燃料加热,而下降则要依靠自然冷却从而通过重力作用逐渐下降。因此,这种热气球的航程是极其有限的。后续,氢气球被发明,体积较小,通过将所携带的沙包抛掉上升。需要下降时,把氢气泻出即可。罗齐尔试图将二者优点相结合,在热气球上面再加上一个小的氢气球,但不料却在首航时发生了爆炸,当场殒命。经过改良后,这种双体气球后续也得到了充分的发展。

盖-吕萨克(Joseph Louis Gay-Lussac,1778-1850)对于气体定律的研究贯穿其一生。早在1802年,年仅24岁的盖-吕萨克便提出了著名的盖-吕萨克气体定律,即当质量和体积不变时,气体的压力与温度成线性正比关系。为了准确地获得高空中空气的各类数据,盖-吕萨克开始了他的一系列探险。与其他高空探险者不同的是,盖-吕萨克的气球携带了很多科研设备,包括用于确定方向的罗盘、测量空气所需要的气压计、温度计、湿度计等等,俨然是一个空中实验室。1804年,盖-吕萨克到达了7016米的高空,这一纪录保持了50之久。通过采集各个高度下的空气样本,盖-吕萨克发现大气的组成成分并未因高度的不同而发生变化。

 

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图一 约瑟夫·路易·盖-吕萨克(Joseph Louis Gay-Lussac,1778-1850)

 

1862年9月5日下午,格莱舍和考克斯维尔突破了10000大关,创造了新的记录。

 

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图二 格拉舍和考克斯威尔的飞行高度记录

图中左侧为标尺,单位为英里

 

三、科学家精神

 

值得一提的是,高空空气稀薄,气压极低,人和动物都会有剧烈的不适感。在探险过程中,盖-吕萨克需要承受剧烈的头痛等等症状,与此同时还要操作各种科学仪器,困难可想而知。尤其是在6000米以上的高空,低压对人体的伤害非常之大,会导致人的口舌僵硬、四肢麻木等症状,严重时人还会失去知觉。对于9000米以上,基本上是人类的死亡区格莱舍和考克斯维尔能够在缺少特别防护的条件下突破万米实属万幸。可是,另外两位探险家就没有那么幸运了。1875年4月15日上午,西维尔和斯皮奈里、提桑迪尔三人一同搭乘热气球挑战万米记录。虽然有呼吸机的帮助,但是真正到了高空,人的知觉几乎丧失,根本无法有效地进行操作,西维尔和斯皮奈里不幸牺牲,提桑迪尔侥幸生还。另外,早期的探险家并不知道气压的急剧变化对人体的危害,加上大部分气球的可操纵性较差,无法实现缓慢的起降。

 

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图三 葬于巴黎拉雪兹公墓的斯皮内利和西维尔

 

四、深远影响

 

空中探险的意义是巨大的。从远古时代起,人们便对高空充满了敬畏和幻想。在中国古代神话中,天空是神仙们的居所。在西方的神话体系中,也充满了对高空的各种描绘和幻想。盖-吕萨克的空中探险,不仅详细地获得了各个高度下空气的温度和压力等详细数据,还通过分析空气样本了解到空气的组成成分随着高度的增加不变。后续,格莱舍等的探险除了对温度、湿度、气压、磁场等进行常规测量之外,还在气球探险的过程中详细记录了云层性状、声音传播、露点变化、光线折射等现象。可以说,上述探险极大地丰富了人们对天空的了解。

 

五、后世纪念

 

1983年,为了纪念盖-吕萨克的载人航行200周年,中非共和国发行了一张印有盖-吕萨克头像和探险所用气球的纪念邮票。

 

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图四 盖-吕萨克纪念邮票

 




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2 王安良 黄永义

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