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| 埃万杰利斯塔·托里拆利 | |
|---|---|
| 原文名 | Evangelista Torricelli |
| 出生 |
1608年10月15日 法恩扎 |
| 逝世 | 1647年10月25日 |
| 民族 | 意大利 |
| 职业 | 数学家·物理学家 |
| 知名作品 | 托里拆利定理 |
埃万杰利斯塔·托里拆利（Evangelista Torricelli,1608～1647）意大利物理学家、数学家。1608年10月15日生于法恩扎，1647年10月25日卒于佛罗伦萨。托里拆利是伽利略的学生和晚年的助手（1641～1642），1642年继承伽利略任佛罗伦萨学院数学教授。
人物介绍
托里拆利(Torricelli，Evangelista，1608-1647)是17世纪西方的一位颇负盛名的科学家。他在正当39岁生日之际，突然病倒，与世长辞。可他在短短的一生中，取得了多方面杰出的成就，赢得了很高的声誉。
伽利略学说的捍卫者托里拆利出生在意大利华耶查城的富裕的贵族家庭。他从小就受到了良好的数学教育。在十七八岁时，卓越的数学才能已初露锋芒。于是在他二十岁时，伯父将他带到罗马，受教于伽利略的学生卡斯德利。卡斯德利是当时远近闻名的数学家和水利工程师，他在数学领域内很多方面都有卓著的成就，还为水力学创立了科学的基础。卡斯德利见托里拆利年轻聪慧，十分喜爱，便指派他为自己的私人秘书，[1]
托里拆利深刻研究了伽利略的《两种新科学的对话一书。从中获得了有关力学原理的发展的很多启发。1641年，托里拆利出版了《论重物的运动》一书，企图对伽利略的动力学定律作出新的自己的结论。卡斯德利在一次拜访伽利略时，将托里拆利的论著给伽利略看了，还热情推荐了托里拆利。伽利略看完托里拆利论著之后，表示非常欣赏他的卓越见解，便邀请他前来充当助手。1641年，托里拆利来到佛罗伦萨，会见了伽利略，此时伽利略已双目失明，终日卧在病床上。在他生命的最后三个月中，托里拆利和他的学生维维安尼担任了伽利略口述的笔记者，成了伽利略的最后的学生。
1642年伽利略逝世后，托里拆利接替伽利略任佛罗伦萨科学院的物理学和数学教授，并被任命为宫廷首席数学家。从此他有钱可以做一些实验研究，不再像以往那样只能从事理论探索。后来，托里拆利大大充实了伽利略的《两门新科学的对话》"第五、六两天"的内容。
托里拆利在佛罗伦萨生活了五年，直至去世。在这五年多的时间里，他进行了大量的科学研究，还结识了画家罗莎，古希腊文明学者达狄和水利工程师阿里盖提，并受到了上层人物们的普遍敬重。他还应邀在秕糠学会作了12次学术演讲，演讲题材广泛，其中有6次是关于物理学方面的。这些讲稿在语词方面均无瑕疵可挑，为常人所不及，是典型的意大利文学作品。他的演讲中还充满着文艺复学时代的那股斗争精神，抨击了那种尽全力维护顽固守旧势力的天主教思想，多次欢呼伽利略的成就，[2]
目录
研究贡献
当时罗马、佛罗伦萨的学者们热烈讨论着自然的本性是否"厌恶真空"和如何解释托里拆利实验矿井中的水泵只能把水提到18肘(10.5米)高的问题。伽利略虽做过称量空气的实验，证明空气有重量，但仍认为可能有一种"真空阻力。意大利学者G.B.巴利安尼1630年写信给伽利略，提出可能存在大气压力的假设。1644年，托里拆利和伽利略的另一位学生维维安尼在一起进行实验研究，他们用汞代替水进行实验，认为比水重14倍的汞大约只能升起水柱的1/14。将玻璃管装满汞后倒置于盛汞容器中，玻璃管上端就获得"托里拆利真空"。与此管对比的还有另一个上面带圆玻璃泡的玻璃管，托里拆利原来猜想容积大的真空应有较大的"真空阻力"，[3]
在1644年他给罗马M.里奇的信中说:"我们是生活在大气组成的海底之下的。实验证明它的确有重量……""我们看到:一个真空的空间形成了……它是外在的并且是来自外界的""它们的设计不仅要造出真空，而且要造出可以指明气压变化的仪器。"这一实验之所以能率先在意大利做成功，还因为罗马和佛罗伦萨在当时的吹制玻璃器皿的技术最先进。这个实验传到西欧后随即引起了帕斯卡、盖利克等人对大气压的研究热潮。
托里拆利在流体力学方面的贡献是提出了关于液体从小孔射流的定理:在充水容器中，水面下小孔流出的水，其速度和小孔到液面的高度平方根以及重力加速度的2倍(2g)的平方根成正比(托里拆利定理)。他还解释过风的成因起源于空气的密度与温度差。
在静力学方面，托里拆利发现:一个物体系统，当其重心处在最低位置时，发生小位移时重心下降，系统才是稳定的。此外，他在磨制精良透镜和将伽利略气体温度计改为液体温度计方面也获得成功。托里拆利特别强调处理力学问题时数学与实验的重要性。
科学成就
纠正卡斯德利的错误
托里拆利对发展力学所作的最重要的贡献是创立了著名的液体从容器细孔流出的理论。当时，水力学权威卡斯德利认为水流的速度跟孔到水面的距离成正比，且这一见解又得到伽利略的赞同，无人敢怀疑。托里拆利为弄清楚这一道理，认真地做了实验，进行了仔细的测量。结果发现，从器壁小孔流出的水流的速度不是跟孔到水面的距离成正比，而是跟此距离的平方根成正比。水流初速度v与桶中水面相对于孔口高度差h的关系式为v=A√h(A为常数)。后人称此式为托氏的射流定律。约在他之后的一个世纪，丹尼尔·伯努利才得出v=√2gh的结果。托里拆利后来又通过实验证明了从侧壁细孔喷出来的水流的轨迹是抛物线形状。托里拆利的这些发现，为使流体力学成为力学的一个独立的分支奠定了基础。
流体力学的奠基人
托里拆利的父亲是一位纺织业主，后来由于经营情况不佳，日益衰落。父亲为了摆脱窘境，被迫把托里拆利送给伯父雅可布抚养。他在十七八岁时，卓越的数学才能已初露锋芒。1627年，伯父在朋友们的劝说下，把托里拆利送到罗马，拜伽利略的得意门生、数学家和水力学工程师卡斯特里为师，继续深造。卡斯德利是当时远近闻名的数学家和水利工程师，他在数学领域内很多方面都有卓著的成就，[4]
1628年，卡斯特出版了一本有关流体力学的著作。托里拆利仔细研读了导师的名著，还做了一系列实验，逐个验证书中的重要结论。他发现，书中关于液体从容器底部小孔流出的速度和小孔离液面高度成正比的结论，和实验不符。经过反复测量和计算，他总结出水从容器底部小孔流出的速度和水从小孔上方的水面高度自由下落到小孔时候的速度相等，进一步得到了这个速度和小孔上方水面高度的平方根成正比的正确结论。托里拆利热爱和尊敬自己的导师，但是他并不盲从。他决定把自己的发现整理成文，公开发表，来纠正导师的这个学术错误。胸怀宽广的卡斯特里看到这篇文章以后，十分高兴，认定托里拆利大有培养和发展前途，立即决定让他当自己的秘书，在学术上给予他指导。
托里拆利深刻研究了伽利略的《两种新科学的对话》一书。从中获得了有关力学原理的发展的很多启发。1641年，托里拆利出版了《论重物的运动》一书，企图对伽利略的动力学定律作出新的自己的结论。卡斯德利在一次拜访伽利略时，将托里拆利的论著给伽利略看了，还热情推荐了托里拆利。伽利略看完托里拆利论著之后，表示非常欣赏他的卓越见解，便邀请他前来充当助手。1614年，托里拆利来到佛罗伦萨，会见了伽利略，此时伽利略已双目失明，终日卧在病床上。在他生命的最后三个月中，托里拆利和他的学生维维安尼担任了伽利略口述的笔记者，成了伽利略的最后的学生。
大气压的测定
根据托里拆利原理制成的气压计当时学术界对空气是否有重量和真空是否可能存在的问题还认识不清，主要是受亚里士多德思想的遗留影响，认为"世间万物之中除了火和空气以外均有各自的重量。"并坚持自然界"害怕真空"的说法。伽利略对此说法表示怀疑，他说:"我们不能相信亚里士多德所说的那样，仅仅认为某物是轻的，某物是重的，而应当认识到所有的物体都有其各自的重量，只不过各有重量大小不同和质地疏密之分而已。""如果人们凭感觉和理解都还不能认识到真空的存在，那么凭感觉和理解又如何能否认真空的存在呢?"伽利略曾发现，抽水机在工作时，不能把水抽到10米以上的高度，他把这一现象归结为水柱受不了它本身重量之故，再找不到合理满意的解释。
托里拆利坚决赞同伽利略的关于空气有重量和真空存在的说法。在总结前人理论和实验的基础上，托里拆利进行了大量的实验，实现了真空，验证了空气有重量的事实，[5]
大约在1641年，一位著名的数学家、天文学家贝尔提曾用一根10米多长的铅管做成了一个真空实验。托里拆利受到了这个实验的启发，想到用较大密度的海水、蜂蜜、水银等做实验。他选用的水银实验，取得了最成功的结果。他将一根长度为1米的玻璃管灌满水银，然后用手指顶住管口，将其倒插进装有水银的水银槽里，放开手指后，可见管内部顶上的水银已下落，留出空间来了，而下面的部分则仍充满水银。为了进一步证明管中水银面上部确实是真空，托里拆利又改进了实验。他在水银槽中将其水银面以上直到缸口注满清水，然后把玻璃管缓缓地向上提起，当玻璃管管口提高到水银和水的界面以上时，管中的水银便很快地泻出来了，同时水猛然向上窜管中，直至管顶。由此可见，原先管内水银柱以上部分确实是空无所有的空间。原先的水银柱和现在的水柱都不是被什么真空力所吸引住的，而是被管外水银面上的空气重量所产生的压力托住的。托里拆利的实验是对亚里士多德的力学的最后致命打击，于是有些人便妄图否定托里拆利的研究成果，提出玻璃管上端内充有"纯净的空气"，并非真空。大家各抒已见，众说纷坛，引起了一场激烈的争论。争论一直持续到帕斯卡的实验成功证实托里拆利的理论后才逐渐统一起来。
托里拆利在实验中还发现不管玻璃管长度如何，也不管玻璃管倾斜程度如何，管内水银柱的垂直高度总是76厘米，于是他提出了可以利用水银柱高度来测量大气压，并于1644年同维维安尼合作，[6]
数学上的贡献
托里拆利也具有很高的数学造诣。他在数学方面最大的贡献是进一步发展了卡瓦列里的"不可分原理"，帮它走向后来牛顿和莱布尼兹所创立的微积分学。他在《几何学文集》中提出了许多新定理，如:由直角坐标转换为圆柱坐标的方法，计算有规则几何图形板状物体重心的定理。还成功地结合力学问题来研究几何学。例如，他研究了在水平内的一定速度抛出物体所描绘的抛物线上作切线的问题，还研究了物体所描绘的抛物线的包络线。他曾测定过抛物线弓形内的面积，抛物面内的体积以及解决了其他十分复杂的几何难题。
托里拆利还将卡瓦列里的不可分原理以通俗易懂的方式写得颇受广大读者欢迎，对不可分原理的普及起了推动作用。
实验
介绍
1643年，托里拆利与伽利略的另一个更年轻的学生维维安尼一起在佛罗伦萨做了著名的"托里拆利实验"地点在意大利的佛罗伦萨。
目的和要求:理解托里拆利实验的原理，了解实验的作法、操作过程和步骤。
仪器和器材:托里拆利实验器(J2116型)，水银，1米以上的长玻璃管(或两根玻璃管中间用橡皮管连接)，烧杯，红色水。
实验方法:
- 1.一只手握住玻璃管中部，在管内灌满水银，排除空气，用另一只手的食指紧紧堵住玻璃管开口端，把玻璃管小心地倒插在盛有水银的槽里，待开口端全部浸入水银槽内时放开手指，将管子竖直固定，读出水银柱的竖直高度。
- 2.逐渐倾斜玻璃管，管内水银柱的竖直高度不变。
- 3.继续倾斜玻璃管，当倾斜到一定程度，管内充满水银，说明管内确实没有空气。
- 4.用内径不同的玻璃管和长短不同的玻璃管重做这个实验(或同时做，把它们并列在一起对比)，可以发现水银柱的竖直高度不变。说明大气压强与玻璃管的粗细、长短无关。
- 5.将长玻璃管一端用橡皮塞塞紧封闭，往管中注满红色水，用手指堵住另一端，把玻璃管倒插在水中，松开手指。观察现象并提问学生:"如把顶端橡皮塞拔去，在外部大气压强作用下，水柱会不会从管顶喷出?"然后演示验证，从而消除一些片面认识，加深理解。
托里拆利实验
注意事项:
- 1.说明托里拆利真空的存在，是实验的关键，只有这一点成立，才能得出"水银柱的压强等于大气压强"。
- 2.水银有剧毒，对人体非常有害，要特别注意安全操作。玻璃管要选管壁较厚、内径较小的。操作时要避免碰撞和晃动，严防管子折断。切不可将水银散失在教室里。灌水银时最好用注射针筒或用细颈尖口的漏斗，下面用大塑料盒(搪瓷盆)垫上，以防水银溅落在地。右手食指如有伤口，绝对不能带伤口操作，可用胶皮手指套保护食指。如水银万一溅落在地，要设法收集，无法收集时，可撒硫磺粉使之硫化，然后收集埋掉，并打开窗户通风。
- 3.要减少实验误差，必须注意:①玻璃管、水银槽必须清洁、干燥，不能有灰尘、杂质和水分。②水银必须清洁，如混入尘埃杂质，或溶有其他金属生成汞齐而附在玻璃管内表面，会使读数不精确，影响效果。③灌水银时和灌后倒置水银槽中都不能混入空气。可用一根纱包线或漆包线一直通到玻璃管底部，灌水银时，不时地上下拉动纱包线，使气泡跟着排出。
- 4.托里拆利实验是定量测量大气压强值的重要实验，教师要认真准备，操作要规范，给学生作出表率。要教会学生读数和观察的方法:如米尺的起点线与槽内水银面凸面要处于同一水平线上;读数时，视线应与水银面、刻度线在同一水平线上等。[7]