Атмосферное давление и его измерение. Барометры

Когда мы делаем глоток чая, то вряд ли размышляем над физикой этого процесса. При этом глотание, как и многие другие процессы, происходит благодаря давлению воздуха вокруг нас — атмосферному давлению. откроем для себя некоторые важные свойства атмосферного давления и научимся его измерять.

Вспоминаем сведения об атмосфере

Вы хорошо знаете, что наша планета Земля окружена воздушной оболочкой, которую называют атмосферой (в переводе с греческого — «пар» и «сфера») (рис. 25.1). Почему же существует воздушная оболочка Земли?

Воздух состоит из молекул и атомов. Молекулы и атомы имеют массу, поэтому они притягиваются к Земле благодаря действию силы тяжести.

Все огромное количество молекул газов, составляющих атмосферу, находится в непрерывном хаотическом движении — они все время сталкиваются, отскакивают друг от друга, изменяют значение и направление скорости своего движения... Именно поэтому они не «падают» на Землю, а находятся в пространстве вблизи нее.

И· Доказываем существование атмосферного давления

По подсчетам, атмосфера Земли имеет массу около 5 -10 кг. Под действием силы тяже

сти верхние слои атмосферы давят на нижние, поэтому воздушный слой непосредственно

у поверхности Земли сжат больше и, согласно закону Паскаля, создает давление на поверхность Земли и на все тела вблизи нее. Это и есть атмосферное давление(р_атм).

Атмосферное давление обусловливает существование всасывания — поднятия жидкости за поршнем (в насосах, шприцах и т. п.) (рис. 25.2). Если поднимать поршень, то атмосферное давление, действуя на свободную поверхность жидкости в сосуде, будет нагнетать жидкость вверх, в пустоту под поршнем. Со стороны все выглядит так, будто жидкость поднимается за поршнем сама по себе.

Кстати, долгое время поднятие жидкости за поршнем, движущимся вверх, приводилось как одно из доказательств известного принципа Аристотеля «Природа боится пустоты». Однако в середине XVII в. при строительстве фонтанов во Флоренции столкнулись с непонятным явлением: оказалось, что вода, которая всасывается насосами, не поднимается выше 10,3 м (рис. 25.3). Галилео Галилейпредложил разобраться в этом своим ученикам — Эванджелисте Торричелли(1608-1647) и Винченцо Вивиа-ни(1622-1703). Разбираясь с данной проблемой,

Э. Торричелли впервые доказал существование атмосферного давления.

Измеряем атмосферное давление

Для удобства проведения опытов Э. Торричелли догадался заменить воду жидкостью с намного большей плотностью. Стеклянную трубку длиной около метра, запаянную с одного конца, ученый доверху наполнил ртутью. Затем, плотно закрыв отверстие, он перевернул трубку, опустил ее в чашу с ртутью и открыл отверстие — часть жидкости из трубки вылилась в чашу. В трубке остался столб ртути высотой приблизительно 760 мм, а над ртутью образовалась пустота (рис. 25.4).

Проведя множество опытов, Торричелли установил: высота столба ртути, остающейся в трубке (760 мм), не зависит ни от длины трубки, ни от ее диаметра, — эта высота немного изменяется только в зависимости от погоды.

давление, которое создает столб ртути высотой 760 мм, называют нормальным атмосферным давлением:

В данном случае в качестве единицы атмосферного давлениявзят один миллиметр ртутного столба (1 мм рт. ст.).

Выразим нормальное атмосферное давление в единицах СИ— паскалях. Из материала § 24 вы знаете, что гидростатическое давление вычисляют по формуле: р = ρgh.

прикреплена стрелка 2, насаженная на ось 3.

Конец стрелки передвигается по шкале 4, размеченной в миллиметрах ртутного столба или паскалях. Все детали барометра размещены в корпусе, передняя часть которого закрыта стеклом.

Изменение атмосферного давления вызывает изменение силы, сжимающей стенки коробочки. Соответственно изменяется изгиб стенок коробочки. Изгиб стенок передается стрелке и вызывает ее движение.

Барометры-анероиды более удобны в использовании, чем ртутные приборы: они легкие, компактные и безопасные.

Определяем зависимость атмосферного давления от погоды и высоты

Наблюдая за барометром, можно легко прогнозировать изменение погоды. Например, перед ненастьем атмосферное давление обычно падает.

Показания барометра зависят не только от погоды, а и от высоты над уровнем моря. Чем выше место наблюдения над уровнем моря, тем меньше атмосферное давление. Вблизи поверхности Земли через каждые 11 м высоты атмосферное давление уменьшается приблизительно на 1 мм рт. ст.

Поскольку атмосферное давление зависит от высоты, барометр можно проградуировать таким образом, чтобы по давлению воздуха определять высоту. Так был изобретен альтиметр — прибор для измерения высоты (рис. 25.6).

»Подводим итоги

Воздух имеет массу. Из-за притяжения Земли верхние слои атмосферы (воздушной оболочки Земли) давят на нижние. Давление воздуха на поверхность Земли и на все тела вблизи нее называют атмосферным давлением.

Точное измерение атмосферного давления обеспечивает ртутный барометр (барометр Торричелли).

Давление столба ртути высотой 760 мм (101325 Па «100 кПа) — это нормальное атмосферное давление.

На практике используют барометры-анероиды благодаря их удобству, небольшим размерам и безопасности. С помощью барометров можно прогнозировать изменение погоды и определять высоту: атмосферное давление уменьшается перед ненастьем, а также с высотой.

Контрольные вопросы

1. Что такое атмосфера и почему она существует? 2. Почему существует атмосферное давление? 3. Какие факты подтверждают существование атмосферного давления? 4. Опишите строение и принцип действия ртутного барометра. 5. В каких единицах измеряют атмосферное давление? 6. Дайте определение нормального атмосферного давления. Выразите нормальное атмосферное давление в паскалях. 7. Опишите конструкцию и принцип действия барометра-анероида. 8. Какие преимущества барометров-анероидов обусловили их широкое использование? 9. Почему с помощью барометров можно прогнозировать погоду и измерять высоту?

Упражнение № 25

1. Действует ли на рыбок в аквариуме атмосферное давление? Почему?

2. Почему вода поднимается, если ее втягивать через соломинку?

3. Можно ли для рассчета атмосферного давления использовать формулу р = ρgh, где р — плотность воздуха, h — высота атмосферы? Обоснуйте свой ответ.

4. Выразите давление 1 мм рт. ст. в паскалях.

5. Выразите давление 550 мм рт. ст. в килопаскалях; давление 93 324 Па — в миллиметрах ртутного столба.

6. Объясните, почему с увеличением высоты над уровнем моря атмосферное давление уменьшается.

7. На какой высоте расположена обзорная площадка телевизионной башни, если атмосферное давление у подножия башни составляет 760 мм рт. ст., а на высоте площадки — 740 мм рт. ст.?

8. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и найдите сведения о роли атмосферного давления в жизни людей и животных. Подготовьте краткое сообщение.

9. Вспомните, почему жидкости и газы оказывают давление. В чем особенности этого давления?

Экспериментальные задания

1. В дополнительных источниках информации найдите описания опытов, доказывающих существование атмосферного давления. Выполните некоторые из них, подготовьте сообщение или фотоотчет.

2. «Ловушка для руки». Наденьте на трехлитровую стеклянную банку плотную резиновую перчатку как показано на рис. 1. Загерметизуйте место соединения перчатки и банки скотчем, а потом засуньте в перчатку руку (рис. 2). Теперь попробуйте вынуть руку. Что мешает это сделать?

Станет ли легче вынуть руку, если перчатку проколоть? Почему?

Видеоопыт. Посмотрите видеоролик и объясните наблюдаемое явление.

Это материал учебника Физика 7 класс Барьяхтар, Довгий