初中物理课外阅读

幻想和数学

来源:高中试题 | 艺术生高考 | 阅读人次

以上是这位小说家告诉我们的话。如果我们检验一下这段对话里的事实,却可以发现这只是些没有根据的幻想。我们不必到地心里去查究这件事情;我们只须预备一支铅笔和一张纸,到物理学领域里做一次小小的旅行。
  首先让我们算一下,必须下降到多么深,气压才能增加1/1000。正常的气压等于760毫米水银柱的重力。假如我们不是住在空气里,而是住在水银里,那末我们只要下沉760/1000=0.76毫米,就可以使压力增高1/1000。在空气里,我们当然要下降得更深一些,深度增加的倍数,应当是水银比空气重的倍数,也就是1055倍。所以要使压力比正常气压增加1/1000,我们下降的深度就不会像在水银里那样只下降0.76毫米,而是要下降0.76毫米×10500,也就是差不多8米。当我们再下降8米的时候,压力又会增大自己的数值的1/1000,依此类推。总之,我们无论是在哪个高度上──在人类上升的最高限上也好(22公里),珠穆朗玛峰的顶上也好(9公里),在海平面上也好──都必须下降8米才能使气压比原来的数值多1/1000。因此,我们就得到这样一个关于空气压强随着深度的增加而增长的表:
在地面上,压强=760毫米水银柱一正常气压
在地面下8米深处的压强一正常气压的1.001倍
在地面下2×8米深处的压强一正常气压的(1.001)2倍
在地面下3×8米深处的压强一正常气压的(1.001)3倍
在地面下4×8米深处的压强一正常气压的(1.001)4倍
  总而言之,在n×8米深处,大气的压强就等于正常压强的(1.001)n倍,并且在压强不十分大的时候,空气的密度也要增加同样的倍数(马略特定律)。
  根据小说里的话,地下旅行家所到的深度不过是48公里,所以重力的减小以及同这种减小有关的空气重力的减小,都可以不必计算。
  现在就可以计算一下儒勒·凡尔纳的地下旅行家在48公里(48000米)深处所受到的压强。在我们的式子里
n=48000/8=6000
  这里需要计算的是(1.001)6000把1.001自乘6000次是一个非常枯燥而且费时的工作,所以我们得利用对数。关于对数,拉普拉斯说得很正确,它能缩短我们的劳动,因而增加计算的人的寿命。用对数算的时候,我们有这样一个式子:要求的数的对数等于
  6000×lgl.001=6000×0.00043=2.6从对数2.6,我们得到了要求的数等于400。
  所以在48公里的深处,大气的压强是正常气压的400倍。实验告诉我们,在这种压强下空气的密度会增加到原来的315倍。所以我们的地下旅行家说,除了“耳朵痛”以外没有感到任何不舒服,那是很可怀疑的……在儒勒·凡尔纳的小说里,又曾经说到人们到过地下更深的地方──120公里,甚至325公里。在那些地方空气的压力应该高到可怕的程度;可是人所能受得住的空气压力,是不能超过3~4个大气压的。
  利用同一个式子,我们可以计算在多深的地方,空气的密度会变得像水一样,也就是说密度达到原来的770倍。得到的数字是53公里。但是这个结果是不可靠的,因为在高压下,气体的密度已经不和压强成正比。马略特定律只是在不太高的压强下(10大气压以内)才是完全正确的。下面是纳杰列尔实验得到的关于空气密度的资料:
压力                  密度
200大气压……………………………………………190
400大气压………………………………315
600大气压………………………………………387
1500大气压………………………………………513
1800大气压………………………………540
2100大气压……………………………564
  从这张表里可以看出,密度的增加是落在压强增加的后面的。所以儒勒·凡尔纳小说里的科学家想在达到某种深度以后,空气的密度会比水的还高,那是白费心思的。是不会有这种情况的,因为空气只有在3000个大气压下,才能同水一样密。在这以后,已经几乎不能再压缩了。要把空气变成固体,单改变压强而不同时剧烈降低温度(零下146摄氏度)是不可能的。
  可是为了公道起见,也需要指出,儒勒·凡尔纳的小说是在刚才举出的那些事实发现以前就出版很久了的。所以这位作者虽然说得不对,也是可以原谅的。让我们再用上面那个式子来计算一下,不会危害在井底工作的人的健康的矿井,最深的应该是多深。我们的身体受得住的最大的空气压强是3个大气压。把需要求得的矿井的深度用X来代表,我们可以得到这个方程式:
  (1.001)x/8=3可以用对数算出X的数值。得出的结果是8.9公里。
  所以,在地面以下大约9公里的深处,人是能不受危害地居住的。
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