真空基础知识与实验设计
一、真空基础知识
1、概述
（1）真空的定义和单位；
在给定的空间内，气体分子密度低于该地区大气压下的气体分子密度的稀薄气体状态，叫真空状态。单位：帕斯卡（Pa）。
（2）真空状态的几个特征；
①和大气比，容器中气体分子数少；
②气体分子平均自由程长，绝缘绝热好；
③超高极高真空时，气体分子种类少；
（3）真空区域的划分；
粗真空区域、低真空区域、高真空区域、超高真空区域。
2、真空获得
用来获得真空的设备叫真空泵 。
（1）真空泵的分类；
真空泵可分为压缩型真空泵和吸附型真空泵。
（2）真空泵主要技术参数；
真空泵主要技术参数有：最大工作压强、极限压强、抽气速率、运用范围等。
3、真空测量
用来测量真空的仪器叫真空计.
（1）真空计的分类
真空计可分为：
绝对真空计：直接读出压强值的叫绝对真空计。
相对真空计：通过测其他物理量，经过校准或换算，求出压强的叫相对真空计。
4、真空系统的组成
由真空获得设备，真空测量设备，通过真空管道和真空阀门及冷井等和被抽容器连接起来，并具有所抽气功能的系统叫真系统。
二、高真空获得与测量实验
1. 实验内容
（1）用真空泵抽真空，用真空计测真空，记录抽气过程真空系统中压强随时间变化，作出p-t曲线。
（2）p-t曲线的绘制时，如果没有半对数坐标纸，可将压强数据先取对数后，在方格纸上画图。
2.设备的选取
有条件的单位可选机械泵和扩散泵联合抽气系统抽气，选热偶真空计和电离真空计测量真空度。 没有以上设备的单位，可选手摇抽气机和真空表来完成该实验。
3.试验装置
高真空获得与测量实验装置如图1所示，
图1高真空获得与测量实验装置
4.实验操作步骤：
关K1 ,开机械泵电源，打开K2 、K3对V 抽气，打开热偶真空计(G1)电源测V中的真空度，当真空度达到5Pa时，给扩散泵通水、通电，让扩散泵工作。开始记录V中压强随时间的变化(p—t)，当V中真空度达到1×10-1Pa时打开电离真空计(G2)测量。
当V中真空度达到10-4Pa时，停止记录p--t，关电离真空计，关K3，关扩散泵电源，30分钟后关水源，关K2，关机械泵电源，打开K1，抽真空结束。根据记录的试验数据，绘出p—t曲线。
三、中学物理实验设计
由于中学物理实验中的真空技术应用都是在粗真空和低真空范围内进行的，实验原理比较清楚，因此，选择抽气设备也比较简单，能作出实验现象就可以。有一点实验经验的教师都可以自制。真空系统可做成可拆卸的，很多中学和压力有关的实验都可在一台设备上完成实验，每个实验只要做很小的改动就可以。中学和负压有关的物理实验有：1托里斯利实验； 2风的形成； 3自由落体实验； 4马德堡半球实验； 5低压沸腾实验；6真空隔热实验； 7声音传播实验（真空铃实验）；8真空绝缘实验； 9真空包装实验等。
实验方案举例：
1、 简易真空获得与测量装置
如图所示，实验时，抽气设备可选用真空泵或手摇抽气机，测量真空设备可选真空表或U形管压力计。实验内容应作p—t曲线，抽气时间根据具体情况掌握。被抽容器可做成可拆卸结构。再此装置上还可以做很多中学实验。
简易真空获得与测量装置
（在被抽容器V中装上电极可做真空镀膜实验）
2、自制马德堡半球实验
马德堡半球
自制马德堡半球
（1）仪器装置图：
（2）仪器的用途
演示大气压的存在并说明大气压强是很大的。
（3）制作
①材料：
1cm厚的长为12.7cm的正方形有机玻璃板两块
d=6.0mm的铜管2.8cm
d=6.0mm的透明橡胶管20cm
O型圈一个
30cm长的塑料绳四段
大号注射器（透明胶，塑料片，602胶）
②制作：
将注射器改装成抽气机。在注射器的头部内侧粘上塑料片后，用针在注射器的头部钻一个小的排气口，并在外侧粘上透明胶（注意使排气口在抽气时能够在大气压的作用下自动关闭，在排气时有能够在气压的作用下打开，保证“抽气机”不会漏气）。
在一块有机玻璃板上粘固定好O型圈，并在中心钻一个直径为6mm的孔，接上铜管和透明橡胶管；在两块有机玻璃板的四个角的适当位置各钻一个直径为6mm的孔，装上塑料绳即形成马德堡半球。
（4）使用方法
将马德堡半球的两半稍微用力压在一起，并将橡胶管套在注射器的针口处进行抽气，抽四五次后，让班上最有力气的两位同学向两个相反的方向两个相反的方向拉，发现马德堡半球难以被拉开；然后拔掉注射器，让班上最弱小的女同学用手向两边拉，发现马德堡半球很轻易被拉开；此时向学生说明大气压是存在的而且是很大的，学生就可以很快地接受。
（5）制作注意事项：
①有机玻璃要有足够的厚度，而且要平滑的。（注：4.5mm以下的有机玻璃耐压不够，用4.5mm的有机玻璃来制作本教具会出现有机玻璃被气压压裂的现象。）
②铜管，透明橡胶管和注射气的针口的直径要比较吻合以防止漏气。
③将注射器改装成抽气机时，要选择软质的塑料片。
④O型圈粘固定时也要防止漏气。
3、真空铃实验
按下图那样，将闹钟放到有抽气管的金属盘上，而后用玻璃罩扣住闹钟。将电动抽气机接到抽气管上，在闹钟的铃开始响时开动抽气机，会听到铃声逐渐减弱，直到听不到铃声。关掉抽气机，向玻璃罩内逐渐放入空气，铃声又逐渐增强。
如果闹钟的铃声不强或响的时间不够长，可换用袖珍收音机或电铃。要注意把声源与金属盘隔离，以减弱通过金属盘向外传播的声音，为此可用厚的软泡沫塑料垫将声源垫起来。还要注意玻璃罩与金属的密封要好，以免漏气，为此可在玻璃罩边缘抹些凡士林。
真空传声实验装置
4.自行设计真空方面的实验方案