2.3 玻意耳－马略特实验

玻意耳将研究重点放在空气弹性的原因及其效应上。玻意耳对空气具有弹性有自己的解释：第一种解释是气体微粒是许多细小的弹性游丝；第二种解释是组成空气的微粒在热的搅扰下作旋涡运动，进而引起弹性。玻意耳的观点受到荷兰的利努斯 的攻击，利努斯反对玻意耳关于存在真空的论据，认为空气的作用不可能支持托里拆利管中的29英寸（约76厘米）水银柱。玻意耳决定用实验进行反驳。

玻意耳做了两臂长短不等的U形（虹吸）管，短的上端封住，附上标尺，并注入水银，使水银在两臂有同样高度。然后再注入水银直到封闭一侧的空气压缩到只有原来的一半，这时可以观察到U形管长臂中的水银比另一臂中高出29英寸。这说明“当空气的密度约为原来的2倍时，它就得到原来2倍强的弹性”。以后他又测量了一系列数据，把观察到的压强数值同“按压强与膨胀成反比的假设应有的压强”做比较，发现数值上的偏差不大。这就是理想气体状态方程中压强-体积（ P - V ）关系最初发表的形式。

当时的法国科学家也做了一个实验，他们制造了一个黄铜气缸，用力压下活塞，释放后活塞弹起，却回不到初始的位置。他们通过观察得出结论：气体是非完全弹性的，具有一定的塑性。玻意耳得知后认为，活塞没有回到初始位置的原因或许是摩擦力使然，于是，他开始着手研究空气是否是完全弹性的这一问题。对上述实验的关键改进就是如何消除摩擦，玻意耳的创意是使用水银，如图2-1（a）（b）所示，在U形管右侧加入水银，可见左侧密封的气体被压缩，玻意耳指出可将（b）中高度为 h 的水银视为负荷，而将其下方的水银视为一个“灵巧的活塞”，这样既不漏气，也不必考虑摩擦。然后再抽出之前加入的水银，气柱的体积便又恢复到初始的体积，如图（c）。这样，玻意耳就巧妙地证明了“空气是完全弹性的”这一观点。

实验结束后，玻意耳的助手卡尔德在整理数据时发现：“如果在水银柱的液面差 h 的基础上再加上大气压对应的水银柱高度 h 0 ，那么似乎密闭气柱的体积 V 就与 h + h 0 成反比。”玻意耳欣然接受了卡尔德的假设，并进一步通过实验验证了该结论。

值得说明的是，另一个人也在关注托里拆利实验，他就是法国物理学家——马略特（Edme Mariotte，1620-1684）。马略特思考到：倘若托里拆利实验中没有把水银装满会怎样呢？马略特进行了如图2-2所示的实验。14.5英寸等于380毫米（一个大气压可支撑的水银高度为760毫米），因此马略特发现当气压减半时，密闭气体的体积会加倍。通过大量的实验，马略特得到了和玻意耳相同的结论。1676年，马略特在论文《论空气的性质》中公布了以上发现。马略特还明确地指出了温度不变是该定律的适用条件，定律的表述也比玻意耳的完整，实验数据也更令人信服，因此这一定律后被称为玻意耳－马略特定律。