Атмосферное давление и его измерение
- Опыт Торричелли
- Эксперименты Отто фон Герике
- Как взвесить воздух в школьной лаборатории?
- Измерение атмосферного давления с помощью барометров
- Атмосферное давление на различных высотах
- Задачи
п.1. Опыт Торричелли
История открытия атмосферного давления тесно связана с объяснением действия насосов.
Простейшие насосы были известны еще со времен Аристотеля, который утверждал, что вода поднимается за поршнем потому, что «природа не терпит пустоты». Однако при сооружении фонтанов во Флоренции в 1638 г. оказалось, что вода поднимается чуть выше 10 м в трубе высотой 12 м и останавливается, сколько бы её ни качали, не заполняя оставшуюся в трубе «пустоту».
Галилео Галилей, к которому обратись за помощью, предложил разобраться с этой проблемой своему ученику – Эванджелиста Торричелли. После серии опытов Торричелли пришел к выводу: вес водяного столба в трубе насоса поддерживается давлением воздуха, действующего на свободную поверхность воды в резервуаре.
Поскольку речь шла о столбе жидкости, возникла замечательная идея: плотность ртути в 13,6 раз больше плотности воды, следовательно, ртутный столб таким же весом будет в 13,6 раз короче и можно перейти от громоздких опытов на стройплощадке к лабораторным исследованиям.
 |
Для опыта понадобились: 1) стеклянная трубка длиной 1 м, запаянная с одного конца; 2) колба с ртутью; 3) широкая чашка. Описание опыта Торричелли: |
Заметим, что такое неосторожное обращение с опаснейшим веществом вызывает сегодня недоумение. Однако техника безопасности при работе с ртутью была в те времена не на высоте. Вероятно, именно из-за этих опытов Торричелли прожил всего 39 лет.
На основании полученных результатов Торричелли пришел к следующему выводу:
Давление столба ртути уравновешивает атмосферное давление на поверхность ртути в чашке: (p_text{ртути}=p_text{атм}). Поэтому, измеряя высоту ртутного столба, мы узнаем атмосферное давление.
| «Мы живем на дне воздушного океана».
Эванджелиста Торричелли (1608-1647), |
 |
Идеи о том, что планету окружает атмосфера, воздух имеет вес и оказывает давление на поверхность Земли, были достаточно смелыми, и понадобилось некоторое время, чтобы их приняли современники.
п.2. Эксперименты Отто фон Герике
В 1654 году Отто фон Герике провел в Магдебурге масштабный эксперимент для демонстрации силы давления воздуха и изобретенного им воздушного насоса.
Вот как сам Герике описывал этот опыт:
«Я заказал два медных полушария диаметром в три четверти магдебургского локтя. К одному полушарию приделали кран, через который можно было выкачивать воздух с помощью воздушного насоса. К полушариям прикрепили кольца и продели в них канаты, привязанные к упряжи лошадей. Я велел соединить полушария, чтобы образовался шар, и вложить между полушариями кожаное кольцо, пропитанное смесью воска со скипидаром, — оно не пропускало воздух внутрь полушарий.
Когда воздух из полушарий выкачали, давление наружного воздуха прижало их друг к другу так сильно, что 16 лошадей не могли разнять их. Но стоило поворотом крана открыть доступ воздуху внутрь полушарий – и их можно было разнять руками».
Опыт с магдебургскими полушариями стал убедительным доказательством существования, как атмосферы, так и вакуума – безвоздушной «пустоты» внутри полушарий.
В 1657 году Герике построил водяной барометр, с помощью которого в 1660 году предсказал надвигающуюся бурю за 2 часа до её появления. В 1663 году изобрел электростатический генератор, изучал свойства электричества, описал отталкивание одноименно заряженных предметов. Будучи сторонником гелиоцентрической системы, занимался также астрономией.
Герике был выдающимся ученым, инженером, мыслителем и общественным деятелем своей эпохи. Как ученый, он особо подчеркивал важность эксперимента для формирования научного знания.
| «Философы, которые держатся исключительно за свои умозрения и аргументы, оставляя в стороне опыт, никогда не могут прийти к достоверным и справедливым выводам относительно явлений внешнего мира, и мы видим немало примеров, что человеческий разум, когда он не обращает внимания на результаты, добытые опытом, оказывается от истины дальше, чем Земля от Солнца».
Отто фон Герике (1602-1686), |
 |
п.3. Как взвесить воздух в школьной лаборатории?
Опыты Торричелли и Герике являются доказательством того, что воздух имеет вес.
В школьной лаборатории, используя несложное оборудование, можно также взвесить воздух. Для этого понадобятся:
1) прочная стеклянная колба; 2) пробка с трубкой и зажимом; 3) насос; 4) весы
Вывод: Отклонение стрелки весов равно массе откачанного воздуха.
п.4. Измерение атмосферного давления с помощью барометров
Еще в XVII веке, измеряя атмосферное давление по высоте ртутного или водного столба, исследователи заметили, что оно не остается постоянным: перед хорошей погодой давление растет, а перед ненастьем – падает. Значит, по изменению атмосферного давления можно достаточно уверенно предсказывать погоду. В эпоху освоения новых океанов и континентов такое умение было бесценным для моряков и путешественников.
Так появились барометры – приборы для измерения атмосферного давления.
Жидкостные барометры
 |
Самые простые барометры – жидкостные, в которых давление измеряется высотой столба жидкости: $$ p_text{атм}=rho gh $$ Ртутный барометр с трубкой длиной 1 м и миллиметровой шкалой был предложен Торричелли. Носить такой прибор с собой затруднительно из-за его размеров, к тому же ртуть ядовита, а вероятность вытекания высока. Водные барометры в различных городах строили Герике, Паскаль и многие другие ученые; основным элементом этих приборов была труба длиной 11-12 м. Это были капитальные сооружения, пользоваться которыми можно было только на месте постройки. |
Барометры-анероиды
Электронные барометры
 |
В наше время широко применяются электронные барометры. В них может быть вмонтирована традиционная гофрированная коробка с дальнейшей обработкой деформаций с помощью микропроцессора. Выпускаются также электронные барометры без коробки с электронным датчиком давления.  Модуль измерения атмосферного давления на основе датчика BMP-280 от BOSCH (цена менее $2) Результаты измерений выводятся на экран прибора в мм рт.ст. или в гектопаскалях (показания красным цветом на приборе, представленном на рисунке – 1013,9 гПа). |
п.5. Атмосферное давление на различных высотах
Воздух имеет массу, следовательно, он имеет вес и оказывает давление на поверхность под ним. Плотность воздуха очень сильно зависит от его температуры и влажности, а также от высоты над уровнем моря.
Как известно, расстояние между молекулами газа в несколько раз больше размера молекул, поэтому газы хорошо сжимаются (см. §16 данного справочника). В результате слои атмосферы у поверхности Земли, сжатые всеми слоями, расположенными выше, имеют большую плотность. Чем больше плотность газа, тем чаще молекулы сталкиваются между собой и различными поверхностями, т.е. тем большее давление газ создаёт.
Получается, что давление атмосферы наибольшее у поверхности Земли и постепенно уменьшается с высотой.
Атмосферное давление на различных высотах над уровнем моря
У поверхности Земли на уровне моря плотность сухого воздуха при 15°С равна 1,2250 кг/м3.
Масса одного кубометра такого воздуха (m=1,2250 text{кг}), а его вес (P=mgapprox 12 text{Н}).
Давление столба воздуха высотой 1 м: (papprox 12 text{Па}).
Давление столба воздуха высотой 1 км без учета изменения плотности: (p_1approx 12 text{кПа}).
Давление столба воздуха всей атмосферы, измеренное на поверхности Земли: $$ p_text{атм}=101,3 text{кПа} $$
Можем оценить высоту этого столба, не учитывая изменение давления с высотой $$ h=frac{p_text{атм}}{rho g}=frac{101 300}{1,2250cdot 9,8}approx 8400 (text{м})=8,4 (text{км}) $$
Если мы поднимемся на 1 км вверх, давление уменьшится на $$ p_1approx 12 text{кПа}approx 90 text{мм рт.ст.} $$
Эта величина неточная, но она может использоваться для быстрой оценки уменьшения давления с ростом высоты.
С другой стороны, зная более точную зависимость давления от высоты, можно построить прибор, который будет измерять давление, а показывать высоту. Такие приборы называют высотомерами (альтиметрами). Их используют в авиации, космонавтике и для высокогорных экспедиций.
п.6. Задачи
Задача 1. Скольким паскалям равно атмосферное давление в 730 мм рт.ст.? Выразите это давление в гектопаскалях. Какую погоду можно прогнозировать при таком давлении: ясную или пасмурную?
Дано:
(h=730 text{мм}=0,73 text{м})
(rho=13600 text{кг/м}^3)
(g=9,8 text{м/с}^2)
__________________
(p-?)
begin{gather*} p=rho gh,\[7pt] p=13600cdot 9,8cdot 0,73=97294,4 (text{Па})approx (text{гПа}) end{gather*} Это – пониженное давление. Можно прогнозировать пасмурную погоду.
Ответ: 973 гПа; прогноз – пасмурная погода
Задача 2. В эксперименте Отто фон Герике использовались медные полушария диаметром 35 см. Определите, сколько лошадей могут разорвать эти полушария, если один конец закрепить неподвижно на стене, а лошади будут тянуть другой конец с силой тяги (800 text{Н}) каждая. Площадь поверхности шара радиусом (R) рассчитывается по формуле (S=4pi R^2). Давление атмосферы примите равным 760 мм рт.ст. Давление внутри шаров примите равным двум третям атмосферного (удавалось выкачать треть воздуха).
Сколько лошадей понадобится, если лошади будут тянуть с обеих сторон?
Дано:
(D=35 text{см}=0,35 text{м})
(F_0=800 text{Н})
(p=760 text{мм рт.ст.}=101300 text{Па})
(p_text{вн}=frac 23 p)
__________________
(N-?, N’-?)
Площадь поверхности шара через диаметр $$ S=4pi R^2=4picdotleft(frac D2right)^2=pi D^2 $$ Сила давления на шар, составленный из полушарий $$ F=(p-p_text{вн})S=left(p-frac 23 pright)S=frac 13pcdot pi D^2 $$ Если один конец закреплен, то понадобится (N=frac{F}{F_0}) лошадей $$ N=frac{pcdot pi D^2}{3F_0} $$ Получаем $$ N=frac{101300cdot picdot 0,35^2}{3cdot 800}approx 16 $$ Если лошади будут тянуть в оба конца, то их понадобится в 2 раза больше $$ N’=2N=32 $$ Таким образом, используя по 8 лошадей с каждой стороны, даже при несовершенных насосах и изоляции швов в XVII веке, Герике ничем не рисковал.
Ответ: 16; 32
Задача 3. Определите глубину шахты, если на ее дне барометр показывает давление 109 кПа, а на поверхности Земли – 104 кПа. Примите плотность воздуха равной 1,3 кг/м3, g≈10 м/с2.
Дано:
(p=109cdot 10^3 text{Па})
(p_0=104cdot 10^3 text{Па})
(rho=1,3 text{кг/м}^3)
(gapprox 10 text{м/с}^2)
__________________
(h-?)
Давление на дне равно сумме давления на поверхности и давления столба воздуха $$ p=p_0+rho gh $$ Высота столба воздуха begin{gather*} h=frac{p-p_0}{rho g} end{gather*} Получаем: $$ h=frac{(109-104)cdot 10^3}{1,3cdot 10}approx 385 (text{м}) $$ Ответ: 385 м
Задача 4. Какова высота небоскреба, если у его входа барометр показывает 760 мм рт.ст., а на крыше – 740 мм рт.ст. Примите плотность воздуха равной 1,29 кг/м3.
Дано:
(h_1=760 text{мм}=0,76 text{м})
(h_2=740 text{мм}=0,74 text{м})
(rho_text{рт}=13600 text{кг/м}^3)
(rho=1,29 text{кг/м}^3)
__________________
(H-?)
Давление на входе $$ p_1=rho_text{рт}gh_1, $$ давление на крыше $$ p_2=rho_text{рт}gh_2. $$ Давление на входе равно сумме давления на крыше и давления столба воздуха высотой (H). $$ p_1=p_2+rho gH $$ Высота небоскреба begin{gather*} H=frac{p_1-p_2}{rho g}=frac{rho_text{рт}gh_1-rho_text{рт}gh_2}{rho g}\[7pt] H=frac{rho_text{рт}}{rho}(h_1-h_2) end{gather*} Получаем $$ H=frac{13600}{1,29}(0,76-0,74)approx 211 (text{м}) $$ Ответ: 211 м
Задача 5*. В трубке, запаянной с верхнего конца, удерживается столбик ртути высотой 20 см. Атмосферное давление – 760 мм рт.ст. Каково давление воздуха в верхней части трубки? Выразите ответ в мм рт.ст. и гектопаскалях.
Примите g=9,8 м/c2
Дано:
(h=20 text{см}=0,2 text{м})
(h_0=760 text{мм}=76 text{см})
(rho=13600 text{кг/м}^3)
(g=9,8 text{м/с}^2)
__________________
(p-?)
Если бы в верхней части не было воздуха, то высота столбика ртути определялась бы атмосферным давлением и равнялась бы 760 мм = 76 см.
В данном случае давление атмосферы уравновешивается суммой давления столбика ртути и давления воздуха вверху $$ p_text{атм}=rho gh+p $$ Давление воздуха вверху $$ p=p_text{атм}-rho gh=rho gh_0-rho gh=rho g(h_0-h) $$ В миллиметрах ртутного столба $$ p=h_0-h=760-200=560 text{мм рт.ст.} $$ В гектопаскалях $$ p=13600cdot 9,8cdot 0,56=74636,8 (text{Па})approx 746 (text{гПа}) $$ Ответ: 560 мм рт.ст.; 746 гПа
Измерение атмосферного
давления
“Мы живем на дне сказочно
красивого океана.
Он велик и безбрежен”
Э. Торричелли
В рамках данной темы речь пойдёт о том, каким же способом
можно измерить атмосферное давление.
Ранее говорилось о том, что подобно твердым телам и
жидкостям, газы также обладают массой и, соответственно, весом.
Планету Земля окружает невидимая газовая оболочка, которая называется атмосферой.
Земная атмосфера также обладает весом вследствие действия на нее притяжения
Земли, а, следовательно, производит давление, которое называется атмосферным
давлением.
Каким способом можно рассчитать
атмосферное давление?
Формулой для вычисления гидростатического давления здесь пользоваться нельзя,
так как для такого расчета требуется знать высоту атмосферы и ее плотность. Действие
силы тяжести и хаотичное движение молекул воздуха приводит к тому, что плотность
земной атмосферы неодинакова и сильно зависит от высоты.
Измерить атмосферное давление можно. Рассмотрим насос
– это прибор с помощью которого в дачных поселках добывают из-под земли воду.
С древних времен и почти до середины 17 века многими учеными считалось
непререкаемым утверждение древнегреческого учёного Аристотеля о том, что
подъем воды в насосе вслед за поршнем происходит из-за того, что «природа
боится пустоты».
В 1638 году герцог Тосканский решил украсить сады Флоренции
великолепными фонтанами, что и было поручено сделать итальянским инженерам. При
помощи всасывающих насосов им предстояло поднимать воду на достаточно большие
высоты. Однако сделать им этого не удалось. Оказалось, что вода, засасываемая
насосами, отказывалась подниматься выше 18 итальянских локтей (что примерно
составляет 10,3 м). После многочисленных попыток как-то все исправить,
недоумевающие инженеры обратились за помощью к престарелому Галилео Галилею.
Великий ученый не смог объяснить этого явления и лишь пошутил: «вероятно,
природа действительно не любит пустоты, но лишь до определенного предела».
После смерти Галилея этим вопросом занялись два его ученика
— Торричелли и Вивиани.
Рассмотрим наиболее важный из опытов, проведенный в 1643
году Эванджелиста Торричелли. Для опыта он предложил использовать метровую
трубку, запаянную с одного конца, наполненную ртутью. Верхний конец трубки
закрывался. Трубка переворачивалась и опускалась в широкий сосуд с ртутью,
после чего пробка убиралась. При этом часть ртути вытекала из трубки в сосуд, а
в трубке оставался столбик ртути высотой около 760 миллиметров.
Но что же удерживало от вытекания
оставшуюся в трубке ртуть?
Торричелли рассуждал так. Широкий сосуд и трубка — это сообщающиеся сосуды.
Над ртутью в трубке нет воздуха. А на ртуть в широком сосуде действует атмосферное
давление, которое жидкая ртуть передает по всем направлениям, в том числе и
вверх. Сила этого давления и поддерживает ртутный столбик.
Рассмотрим условие равновесия тонкого слоя ртути. Это
условие требует, чтобы сила атмосферного давления снизу и сила
гидростатического давления столба ртути сверху были равны.
pатм = pгидр
Это значит, что атмосферное давление равно гидростатическому
давлению столба ртути в трубке. Поэтому, измерив высоту столба ртути, можно
рассчитать его давление по формуле и тем самым определить величину атмосферного
давления. Таким образом, Торричелли делает важный вывод о том, что «истинной
причиной поднятия воды в трубке является давление воздуха, а не «боязнь
пустоты».
В конце 1646 года до французского городка Руана, где в то
время жил Блез Паскаль, докатилась молва об удивительных итальянских опытах с
пустотой. Паскаль повторяет опыты Торричелли не только с ртутью, но и с водой,
маслом, и даже красным вином, для чего ему потребовались трубки длиной около 15 метров. Причем все свои опыты Паскаль проводил прямо на улицах Руаны, тем самым радуя его жителей.
Но для полного доказательства существования атмосферного давления этого Паскалю
было не достаточно. Он считал, что для полного доказательства опыт следует
повторить, причем два раза — один раз у подножия какой-нибудь горы, а второй
раз — на ее вершине.
«Вы понимаете, если бы высота столба ртути на вершине
горы оказалась бы ниже, чем у подножия, то следовало бы, что единственная
причина этого — вес воздуха, а не «боязнь природой пустоты». Ясно, что
внизу горы воздух должен быть плотнее, чем наверху, между тем нет никаких
оснований предполагать, что природа испытывала большую боязнь высоты внизу, чем
вверху». В 1648 году по поручению ученого такой эксперимент был проделан его
учеником. Он полностью подтвердил предположение Паскаля о том, что атмосферное
давление зависит от высоты. Так, при высоте горы в 1,5 км разница
уровней ртути составила более 8 см. Таким образом, опыты Паскаля
окончательно опровергли теорию Аристотеля о «боязни природой пустоты» и
подтвердили существование атмосферного давления.
Так как в рассмотренных опытах Торричелли и Паскаля давление
определялось высотой столба ртути, то понятно, почему его очень часто измеряют
не в международных единицах — паскалях, а в миллиметрах ртутного столба.
Выразим в паскалях внесистемную единицу давления 1 миллиметр ртутного столба.
p = rgh
p1 мм рт. ст. = 13 600×9,81×0,001
p1 мм рт. ст. ≈ 133,3 Па
В настоящее время, по договоренности атмосферное давление
считают нормальным, если оно равно давлению столба ртути высотой 760 мм при температуре воздуха 20 ºС. Такое давление часто называют 1 нормальной, или
физической атмосферой. В международных единицах измерения оно составляет
101 325 Па.
Упражнения.
Задача 1. Определите высоту столба ртути, который
уравновешивается атмосферным давлением 90 кПа.
Задача 2. Рассчитайте силу, сжимающую полушария,
если их диаметры составляют 14 дюймов, а атмосферное давление в тот день было нормальным. Площадь сферы можно рассчитать по формуле S = 4pR2, а
1 дюйм ≈ 2,54 см.
Основные выводы:
– Атмосфера нашей планеты оказывает давление на все тела,
расположенные на Земле.
– Нормальное атмосферное давление принято давление
столба ртути высотой 760 миллиметров при температуре воздуха 20ºС. Такое
давление часто называют 1 нормальной, или физической, атмосферой.
– Давление, создаваемое 1 мм рт. ст., приблизительно составляет 133,3 Па.
План урока:
Атмосфера. Атмосферное давление
Давление на разных высотах
Давление морских глубин
Путешествие к центру Земли
Атмосфера. Атмосферное давление
Воздухом дышат люди и животные, без него не смогли бы существовать растения на Земле, т.е. жизни без воздуха нет. В этом состоит колоссальное значение воздуха. Вокруг Земли воздух образует оболочку, называют которую атмосферой. Атмосферный воздух – это газовая смесь:
Состав воздуха Источник
Больше всего в воздухе азота (78%), на долю кислорода приходится 21%, остальные газы вместе (углекислый газ, водород, озон, водяной пар и др.) входят в 1 %. К сожалению, в воздухе есть и пыль, сажа, «промышленная грязь».
Общая масса всех молекул атмосферного воздуха – это масса атмосферы, равна 5,3 миллиарда тонн (5,3 млрд. т = 5 300 000 000 т = 5,3 ∙ 1012 кг). Движение молекул хаотично, с большими скоростями (самые быстрые молекулы водорода имеют скорость около 1 800 м/с). Но преодолеть силу тяжести молекулам невозможно. Для этого нужна скорость не менее 8 000 м/с (первая космическая скорость). Поэтому многочисленные молекулы воздуха «толпятся» около поверхности Земли и образуют оболочку из газов — атмосферу.
Атмосфера до 2 000 км и выше простирается вверх, дальше размывается в пространство без воздуха (вакуум). Воздух давит на планету, и давление это называется атмосферным.
Атмосфера
Давление окружающего воздуха определяет состояние атмосферы, погоду, которую нужно прогнозировать. Но для этого надо исследовать передвижения огромных масс воздуха, за что как раз и отвечает давление. Как давление атмосферы измерить? Если использовать формулу p = ρgh, то в ней не определена плотность, которая уменьшается с высотой. Чем выше воздушный слой, тем меньше на него давят вышележащие слои, а самое большое давление будет на Земле.
Изменение плотности воздуха с высотой Источник
Высота тоже не имеет четкого значения. Граница перехода атмосферы в вакуумное пространство размыта. (В старших классах изучается, что и величина g уменьшается с ростом высоты). Как же быть? Ответ нашел Эванджелиста Торричелли (итальянский ученый 1608-1647г.г.).
Опыт Торричелли Источник
Метровую стеклянную трубку ученый запаял с одной стороны, наполнил ртутью и опрокинул ее в плоский сосуд. Ртуть вытекла из трубки не полностью, а остановилась на некоторой высоте. Сверху образовалось пустое пространство. Вес ртути в трубке и сила атмосферы, давящая на ртуть в открытой части сосуда, сравнялись. Получается: атмосферное давление равно давлению ртутного столбика в трубке, которое легко вычисляется по упомянутой формуле p = ρgh. Зафиксировать уровень ртути помогает шкала обыкновенной измерительной линейки, если ее подставить к собранному устройству.
При изменении погоды высота ртутного столбика в приспособлении непостоянна. Атмосферное давление растет, давит на открытую ртуть в сосуде, дальше давление передается по трубке, столбик поднимается до высоты, пока не наступит равновесие. Атмосферное давление уменьшается, меньше давит на открытую ртуть, тогда ртуть из столбика вытекает до равновесия, столбик становится ниже. Положения столбика отмечаются на миллиметровой шкале. Отсюда возникли миллиметры ртутного столба, а устройство со стеклянной трубкой называют ртутным барометром (греч. «барос» — «тяжесть»).
Опыт Торричелли с трубками разной формы и разного наклона Источник
В 1647 году Б.Паскаль проделал опыт Торричелли в горах и отметил, что у подножия горы давление атмосферы больше, чем на горе. Паскаль испробовал и водяной барометр вместо ртутного. Плотность воды меньше плотности ртути в 13,6 раза, значит, столбик воды должен быть в 13,6 раза выше, и трубку надо брать более десяти метров длиной.
Измерение давления водяным барометром
Понятно, что пользоваться таким барометром неудобно. Барометры ртутные на практике также не используются из-за опасных для человека паров ртути.
p = 760 мм рт. ст. при t = 0о С считается нормальным атмосферным давлением.
В СИ 1 мм рт. ст. получается следующим образом:
p = ρgh
ρ = 13600 кг/м3 (ртуть), h = 1 мм = 0,001 м – высота, g = 9,8 Н/кг.
p = 13600 кг/м3 ∙ 9,8 Н/кг ∙ 0,001 м ≈ 133,28 Па
760 мм рт.ст. = 101292,8 Па ≈ 101300 Па
Давление атмосферы очень значительно. Это подтверждает опыт, проведенный 8 мая 1654 года, по распоряжению Отто Герике, бургомистра г. Магдебурга. Из медного шара, составленного из двух полушарий, выкачивался воздух. Эти полушария пытались разделить по четыре пары лошадей с каждой стороны. Совместные усилия лошадей ни к чему не привели: они не смогли преодолеть огромную силу атмосферного давления.
Опыт с магдебургскими шарами
Атмосферное давление используется в практической деятельности человека. Если в трубке с помощью поршня создавать безвоздушное пространство, то атмосферное давление будет вдавливать туда жидкость. Например, лекарство поступает в шприц вслед за поршнем, заполняя пустое пространство. Вода поступает вслед за поршнем насоса тоже под действием давления атмосферы.
Присоски из резины удерживаются на стенке за счет атмосферного давления. Нажимая на присоску, из нее удаляют часть воздуха. Давление внутри уменьшается, и атмосферное давление оказывается больше, чем в присоске. Поэтому атмосфера и прижимает присоску к стене.
Атмосферное давление широко учитывается в метеорологической службе для прогнозирования погодных явлений.
Давление на разных высотах
В начале урока возникла проблема: у мальчиков, живущих в одном доме, приборы показывают разные давления. На первом этаже – 760 мм рт. ст., на девятом – 757,5 мм рт. ст.
Давление воздуха на разных высотах Источник
Давление воздуха пропорционально зависит от его плотности. Плотность же атмосферного воздуха заметно изменяется с изменением высоты. На уровне моря воздух обладает плотностью примерно 1033 г/м3, на высоте от 5 до 6 км плотность становится 400 г/м3, на высоте 20 км – уже 43 г/м3. Соответственно и атмосферное давление становится меньше.
На высотах, близких к Земле, наблюдается следующая зависимость. Через каждые 12 м атмосферное давление изменяется на 1 мм рт. ст. или на 133,28 Па. На высотах от 2 до 6 км на 1мм рт. ст. давление меняется через каждые 15 м, от 6 до 10 км – каждые 20 м. Это достаточно приближенные значения, так как изменить показатели давления могут бури, циклоны, ветра. На состояние атмосферы оказывает влияние даже время суток и года, географическая широта местности, влияние Солнца. В данных примерах рассматривается атмосфера в нормальных условиях (температура 0о С и давление 760 мм рт. ст.). Но в таком состоянии атмосфера бывает очень редко.
Теперь ясно, почему приборы на разных этажах дома показали неодинаковые давления воздуха. Высота девятого этажа по сравнению с первым около 30 м. Делим 30 м на 12 м (каждые 12 м дают изменение давления на 1 мм рт. ст.). Получается, что давление должно отличаться на 2,5 мм рт. ст. Значит, оба мальчика определили давление правильно.
Интересно, какие приборы они использовали? Атмосферное давление можно измерить ртутным барометром. Использование его небезопасно и неудобно. Чаще применяют барометр – анероид (слово «анероид» означает безжидкостный):
Барометр — анероид
Внешний вид барометров различен. Корпус делают в виде пластмассовых или деревянных коробок, которые имеют разные формы и цвета. Главные же элементы у приборов присутствуют всегда и находятся внутри.
Схема устройства барометра — анероида Источник
Принцип работы прибора не сложен. Пустая металлическая коробочка 1 имеет очень тонкие стенки. Ее видно через стекло прибора (чем-то напоминает небольшую консервную банку). Коробочка соединена передаточным механизмом 3 с пружинкой 2 и стрелкой – указателем 4. Стрелка движется над шкалой.
Атмосферное давление, повышаясь, давит на тонкие стенки коробочки. Коробочка слегка сжимается, с помощью передаточного механизма действует на стрелку, заставляя ее поворачиваться и показывать давление на шкале. Пружинка не дает стрелке падать до конца шкалы. Если давление уменьшается, коробочка расширяется, передаточный механизм поворачивает стрелку в обратную сторону. Стрелка указывает на новое значение давления.
Безжидкостный барометр менее точен, чем ртутный, но удобнее в использовании. На больших высотах используются приборы, в которых на основе давления указывается высота над уровнем Земли. Сейчас используются карманные устройства или устройства, похожие на ручные часы.
Высотомер парашютистов Источник Карманный барометр Источник
Давление морских глубин
Три четверти земной поверхности занимает вода, образующая гидросферу Земли. Чтобы определить физические характеристики воды на больших глубинах, нужно использовать специальные методы, и вот почему. Погружаясь на большие глубины, слой воды все сильнее и сильнее давит на погружаемое тело. С погружением на 10 метров давление возрастает на 100 000 Па (почти на величину нормального атмосферного давления). Значит, при погружении на глубину 1 км давление воды будет в 100 раз больше атмосферного. Средняя глубина Мирового океана 3704 м. Самая большая глубина 11034 м в Марианской впадине, которая находится в Тихом океане. На таких глубинах существуют огромные давления.
Марианская впадина на карте
Вода малосжимаема, поэтому ее плотность лишь незначительно возрастает по мере погружения. Значит, на расчет давления большее влияние оказывает глубина, т.е. высота столба жидкости.
Интересно, что и на таких глубинах есть жизнь. Светящиеся и необычайные по форме рыбы населяют морское дно. А кашалот, рекордсмен среди животных по нырянию, достигает глубины 3 км.
Красногубый нетопырь[1] Зубатый кит кашалот
Человек может нырять на большие глубины, но лишь опытные ныряльщики – ловцы жемчуга могут достигать глубины порядка 85 м. На больших глубинах давление воды может раздавить грудную клетку человека. Применяя водолазные костюмы, человек может опуститься на глубину 300 м. Водолазы прокладывают по дну подводный кабель или трубопровод, строят мосты, гидроэлектростанции и шлюзы — очень нужная профессия для настоящих мужчин.
Но костюм водолаза замедляет движение человека. С поверхностью корабля он связан тросом и шлангом, по которому поступает воздух. Это также мешает передвижению под водой.
Поэтому исследователь морей француз Кусто изобретает акваланг – новое снаряжение для ныряльщиков. Аквалангисты берут с собой запас воздушной смеси в баллонах. Используя устройство, возможно под водой достигнуть глубин 90 м.
Водолаз Аквалангист
По свидетельству историков первым водолазом был Александр Македонский, который в IV веке до нашей эры спускался в море в водолазном колоколе. Лишь в XX веке человечество начало осваивать большие глубины Мирового океана. Для этого используются батисферы и батискафы. Батисферы спускаются с корабля на прочном тросе на глубину более 900 м. Батискафы имеют собственный двигатель и перемещаются около самого дна. Из них наблюдатели исследуют подводный мир. Прочные шарообразные стенки подводных аппаратов выдерживают гигантские давления.
Батискаф
Одна из первых подводных лодок была построена по идеям Ж.Верна (роман «80 000 лье[2] под водой») в 1899 году. Под водой теперь океанские просторы бороздят современные подводные лодки.
Подводная лодка
Путешествие к центру Земли
У Земли экваториальный радиус больше полярного радиуса на 21 километр. Поэтому форма нашей планеты – сплюснутый шар со стороны полюсов. Форму такую называют эллипсоидом. Рассматривают обычно средний радиус Земли: 6370 км. Впервые рассчитали его грек Эратосфен в третьем веке до нашей эры и араб Бируни во втором веке до нашей эры.
Землю делят на три основные зоны:
- ядро (из двух частей);
- мантию;
- кору.
Строение Земли Источник
Толщина земной коры изменяется от 5 км в области океанов, до нескольких десятков километров в области горных районов. Возраст Земли примерно 4,5 миллиарда лет. Много – много лет назад земные недра находились в расплавленном состоянии, поэтому легкие элементы из глубины всплыли в верхние слои и образовали кору, а тяжелые, оставшись на глубине, образовали ядро. Ниже коры до глубины 2800-2900 км располагается мантия. Плотность мантии с глубиной растет от 3300 кг/м3 до 5000 кг/м3.
Ядро, состоящее из расплавленного железа с примесями других плотных веществ, делится на внешнее и внутренне. Внешнее ядро достигает глубины 5000 км и имеет плотность от 10600 кг/м3 до 11500 кг/м3. Во внутреннем ядре плотность продолжает расти к центру и на глубине 6370 км (средний радиус Земли) достигает максимального значения 12500 кг/м3. Из приведенных цифр видно, что плотность изменяется не планомерно, а скачками на границах кора – мантия и мантия – ядро, что явилось причиной выделения трех зон строения планеты.
Слои литосферы Источник
Твердую каменистую (греч. «литос» — камень) оболочку из земной коры и верхней части мантии называют литосферой (более подробно изучается по географии).
При таких глубинах и плотностях нетрудно представить огромные значения давления внутри планеты. Используя современные приборы, рассчитывают, что давление на глубине 50 км в 400 раз больше атмосферного. Человек выносит давление в три раза больше нормального атмосферного. Такое давление есть уже на глубине 9 км. Поэтому без специальных устройств-камер человек не опускается вглубь Земли.
На глубине Земли
Давление в центре Земли 353 ГПа. Это в 350 тысяч раз больше нормального атмосферного давления.
При приближении к центру Земли увеличиваются не только плотность и давление, но и температура. На глубине 10 км около 180о С, на условной границе кора – мантия (примерно 33 км) – 420о С. Температура в центре ядра более 6100о С.
Итак:
- атмосфера оказывает давление на Землю и тела, находящиеся на ее поверхности и вблизи нее. С высотой давление уменьшается;
- гидросфера – водная оболочка Земли. С погружением на дно Мирового океана происходит увеличение давления до гигантских значений (несколько десятков миллионов Паскалей);
- литосфера – твердая оболочка Земли. На больших глубинах давление в сотни раз больше атмосферного.
Словарь
1. Нетопырь – 1) по мифологии славян страшное ночное животное, в котором живет душа злого человека; 2) плосконосая летучая мышь.
2. Лье – (другой вариант «льё») старинная французская мера расстояний; 5557 м — в море, 4445 м – на земле.
Содержание:
- § 1 Вес воздуха
- § 2 Атмосферное давление
- § 3 Причина появления атмосферного давления
- § 4 Доказательства существования атмосферного давления
- § 5 Краткие итоги урока
§ 1 Вес воздуха
На этом уроке мы узнаем, обладает ли воздух весом, что такое атмосферное давление, раскроем причины атмосферного давления.
Вес – это сила, с которой тело действует на опору или подвес вследствие силы тяжести.
На воздух действует сила тяжести, следовательно, воздух обладает весом.
Вес тела, находящегося на горизонтальной опоре или вертикальном подвесе, вычисляется по формулеP = mg. Для определения веса воздуха надо знать его массу.
Перед нами находятся карандаш и стакан с водой. Как определить массу этих тел?
Известно, что для измерения массы тел служат весы.
На одну чашу весов кладем карандаш, на другую — гири, так определим массу твердого тела.
Для определения массы воды взвесим массу стакана с водой и без воды, разность между ними покажет нам массу воды.
Можно применить этот же способ для определения массы воздуха. Воспользуемся прибором, называемым «шар для взвешивания воздуха» (рис. а). Он представляет собой толстостенный стеклянный шар с пробкой и трубкой с зажимом. Сначала нужно измерить массу этого шара вместе с воздухом, затем выкачать воздух через трубку при помощи насоса (рис. б), закрыть зажимом и снова взвесить. Масса шара при этом окажется значительно меньше (рис. в).
Опытами установлено, что масса воздуха объемом 1 м3 при температуре 0оС и нормальном атмосферном давлении равна 1,29 кг. Тогда вес воздуха объемом 1 м3 равен 12,9 Н.
§ 2 Атмосферное давление
Воздух окружает всю Землю в виде шарообразного слоя, поэтому воздушную оболочку Земли называют атмосферой (из греческого языка «атмос» — пар, воздух, «сфера» — шар).
Атмосферный воздух обладает огромной массой, поэтому, действуя своим весом на поверхность Земли и тела, находящиеся на ней, оказывает давление, называемое атмосферным давлением.
По закону Паскаля воздух передает давление в каждую точку по всем направлениям одинаково, то есть давление атмосферы есть везде: в домах, в пещерах, в шахтах и т.д.
Итак,
давление воздушной оболочки Земли на земную поверхность и тела на Земле называется атмосферным давлением.
§ 3 Причина появления атмосферного давления
Атмосфера простирается по высоте на тысячи километров. Нижние слои воздуха вследствие давления сжаты сильнее, чем верхние слои, то есть плотность воздуха с высотой уменьшается. Измерения показывают, что плотность воздуха на высоте 5,5 километров над Землей в 2 раза меньше, чем у поверхности, на высоте 11 км – в 4 раза меньше. Постепенно атмосфера переходит в безвоздушное пространство.
Как сохраняется атмосфера Земли? Известно, например, что вокруг Луны нет воздушной оболочки. Причина в том, что сила тяжести на Земле больше, чем на Луне, что не дает молекулам воздуха оторваться от планеты и улететь в космическое пространство. А непрерывное беспорядочное движение молекул газов, составляющих атмосферу Земли, не позволяет им всем упасть на Землю.
Получается, что одновременное действие силы притяжения Землии непрерывное беспорядочное движение молекул воздуха являются причиной существования атмосферы.
§ 4 Доказательства существования атмосферного давления
Для доказательства существования атмосферного давления поставим опыт. Нальем в стакан воду примерно до половины или чуть больше, сверху закроем листком бумаги. Плотно прижав бумагу к краям стакана, перевернем стакан с водой и осторожно уберем руку. Вода из стакана не выливается, хотя закрыта всего лишь листком бумаги. Почему?
На поверхность воды внутри стакана давит оставшийся воздух, его давление равно атмосферному. Снаружи на лист бумаги тоже давит атмосферное давление, так как согласно закону Паскаля газ производит давление по всем направлениям одинаково – вверх, вниз, в стороны. Давления на столб воды изнутри и снаружи одинаковы, поэтому вода остается в равновесии и не выливается.
Поставим еще один опыт, который можно назвать так: «Достань монету, не намочив пальцев».
Положим монетку в тарелку и нальем воду так, чтобы монета была полностью закрыта водой. Как же взять монету, не намочив пальцев, если она находится в воде? Возьмем стакан, зажженную свечку и, перевернув стакан, свечкой подогреем воздух в стакане и вместе со свечой осторожно поставим на тарелку с водой. При этом вода постепенно соберется внутрь стакана, и теперь монету спокойно можно взять, не намочив пальцев. Объяснение опыта заключается в существовании атмосферного давления. Давление воздуха в стакане при нагревании уменьшается, и под действием атмосферного давления вода устремляется внутрь стакана.
Существование атмосферного давления объясняет множество других явлений.
Например, известный нам всем медицинский шприц. Если опустить шприц в сосуд с жидкостью и поднять поршень, то жидкость поднимается вслед за поршнем.
Объяснить это явление можно так. При поднятии поршня между ним и поверхностью воды образуется безвоздушное пространство, давление в котором практически равно нулю. Поэтому атмосферное давление, действуя на поверхность жидкости в сосуде, заставляет жидкость устремляться в пространство с меньшим давлением.
На применении атмосферного давления основаны принципы действия пипетки, ливера – прибора для взятия пробы, автоматической поилки для птиц, водяных насосов и других устройств.
§ 5 Краткие итоги урока
ВАЖНО ЗАПОМНИТЬ:
На воздух действует сила тяжести, следовательно, воздух обладает весом.
Воздух объемом 1 м3 при температуре 0о С и нормальном атмосферном давлении имеет массу, равную 1,29 кг, и обладает весом 12,9 Н.
Давление воздушной оболочки Земли на земную поверхность и тела на Земле называется атмосферным давлением.
Атмосфера простирается на тысячи километров. Нижние слои воздуха вследствие давления сжаты сильнее, чем верхние слои, то есть плотность воздуха с высотой уменьшается.
Причина существования атмосферы — действие на молекулы воздуха силы притяжения Земли и непрерывное беспорядочное движение молекул воздуха.
Список использованной литературы:
- Волков В.А. Поурочные разработки по физике: 7 класс. – 3-е изд. – М.: ВАКО, 2009. – 368 с.
- Волков В.А. Тесты по физике: 7-9 классы. – М.: ВАКО, 2009. – 224 с. – (Мастерская учителя физики).
- Кирик Л.А. Физика -7. Разноуровневые самостоятельные и контрольные работы. М.: Илекса, 2008. – 192 с.
- Контрольно-измерительные материалы. Физика: 7 класс / Сост. Зорин Н.И. – М.: ВАКО, 2012. – 80 с.
- Марон А.Е., Марон Е.А. Физика. 7 Дидактические материалы. – М.: Дрофа, 2010. – 128 с.
- Перышкин А.В. Физика. 7 класс — М.: Дрофа, 2011.
- Тихомирова С.А. Физика в пословицах и поговорках, стихах и прозе, сказках и анекдотах. Пособие для учителя. – М.: Новая школа, 2002. – 144 с.
- Я иду на урок физики: 7 класс. Часть III: Книга для учителя. – М.: Издательство «Первое сентября», 2002. – 272 с.
Использованные изображения:
Атмосферное давление
Опытами установлено, что при температуре 0 º С и нормальном атмосферном давлении масса воздуха объемом 1м3 равна 1,29 кг. Вес этого воздуха определяется по формуле
Опыты подтверждают, что внутри жидкости существует давление и на одном и том же уровне оно одинаково по всем направлениям. С глубиной давление увеличивается.
и равен примерно 13 Н.
Воздушную оболочку, окружающую Землю, называют атмосферой.
Атмосфера простирается на высоту нескольких тысяч километров. Вследствие действия силы тяжести верхние слои воздуха сжимают нижние слои. Воздушный слой, прилегающий непосредственно к Земле, сжат больше всего и, согласно закону Паскаля, передает производимое на него давление по всем направлениям. В результате этого земная поверхность и тела, находящиеся на ней, испытывают давление всей толщи воздуха, или, как говорят, испытывают атмосферное давление.
Примеры существования атмосферного давления наглядно видны в действии
шприца, пипетки, мыльницы на присоске.
Беспорядочное движение молекул и действие на них силы тяжести приводят в результате к тому, что молекулы газов «парят» в пространстве около Земли, образуя воздушную оболочку, или атмосферу.
Измерения показывают, что плотность воздуха быстро уменьшается с увеличением высоты. Чем выше над поверхностью Земли. Тем воздух разрежённее. В самых верхних слоях атмосфера постепенно переходит в безвоздушное пространство. Четкой границы воздушная оболочка, окружающая Землю, не имеет.
Измерение атмосферного давления было осуществлено с помощью опыта Торричелли при помощи высоты ртутного столба. За единицу атмосферного давления принимают 1 миллиметр ртутного столба (1 мм. рт.ст.)
1 мм рт. ст. = 133,3 Па.
В настоящее время атмосферное давление измеряют также в гектопаскалях.
760 мм рт. ст. = 1013 гПа.
Атмосферное давление непостоянно, его изменения связаны с изменениями погоды.
Для измерения атмосферного давления используют ртутные барометры, а также безжидкостные металлические барометры, не содержащие ртути, которые называются анероиды.
Знание атмосферного давления важно для предсказания погоды на ближайшие дни.
Атмосферное давление, равное давлению столба ртути высотой 760 мм при температуре
0 º С, называется нормальным атмосферным давлением.
Нормальное атмосферное давление равно
760 мм рт. ст. = 101300 Па = 1013 гПа.
Наблюдения показывают, что нормальное атмосферное давление в местностях, лежащих на уровне моря. Чем больше высота над уровнем моря, тем давление в атмосфере меньше.
Анероиды, имеющие шкалу, по которой непосредственно можно отсчитать высоту, называют высотомерами. Их применяют в авиации и при подъемах на горы.
Действие поршневых жидкостных насосов основано на том, что вода под действием атмосферного давления, поднимается за поршнем по трубке.
Для измерения давлений, больших или меньших атмосферного, используют манометры. Манометры бывают жидкостные и металлические.
Закон Паскаля объясняет действие гидравлических машин, действие которых основано на законах движения и равновесия жидкостей. С помощью гидравлической машины можно малой силой уравновесить большую силу.
Гидравлическую машину, служащую для прессования (сдавливания) называют гидравлическим прессом. Гидравлические прессы применяют там, где требуется большая сила, например, для выжимания масла на маслобойных заводах, для прессования фанеры, картона, сена.
Конспект составлен на основании теоретического материала учебника «Физика 7 класс» А.В. Перышкин
Скачать конспект: