Інформація про новину
  • Переглядів: 209
  • Дата: 21-11-2020, 17:26
21-11-2020, 17:26

26. Атмосферное давление. Опыт Торричелли. Атмосфера

Категорія: Учебники » Физика





Попередня сторінка:  25. Давление жидкостей и газов. Сообщаю...
Наступна сторінка:   27. Манометры. Насосы. Гидравлический п...

Мы находимся на дне воздушного океана, который называется атмосферой (рис. 26.1), а над нами - примерно стокилометровый слой воздуха. Столб воздуха создает давление благодаря тому, что воздух притягивается к Земле. Для расчета этого давления формулу p = ρ · h · g можно применить только приближенно для не слишком больших h, поскольку воздух легко сжимается.

Существует простое приближенное правило: около поверхности Земли давление уменьшается на 1 мм рт. ст. при поднятии вверх на каждые 12 метров.

Мы не замечаем давления атмосферы только потому, что воздух внутри наших легких имеет та-

кое же давление - таким образом, силы давления снаружи и внутри уравновешивают друг друга.

Совсем другое дело, когда вы нырнули глубоко в воду. Давление воды настолько большое, что вашу грудную клетку сожмет сила, которая не даст вам вдохнуть, даже если у вас есть акваланг. Поэтому аквалангист дышит сжатым воздухом, давление которого нужно регулировать так, чтобы он равнялся внешнему давлению воды на тело (рис. 26.2).

ОПЫТ 26.1

Возьмите пустую упаковку из-под сока и ртом «откачайте» из нее воздух (рис. 26.3). В определенный момент она «сомнется». Давление внутри уменьшилось, следовательно, внешнее атмосферное давление деформирует не очень крепкий картон.

ОПЫТ ТОРРИЧЕЛЛИ

Воздух кажется невесомым, и поэтому опыт итальянского физика и математика Эванджелиста Торричелли (ученика Галилея) поразил современников. Он заполнил запаянную с одного конца стеклянную трубку длиной около метра ртутью. Потом закрыл отверстие пальцем и, перевернув трубку, поместил открытый конец на небольшую глубину в чашку со ртутью, придерживая трубку в вертикальном положении. После того, как он открыл отверстие, часть ртути вылилась, но столб ртути высотой приблизительно 76 см все равно остался в трубке (рис. 26.4). В пространстве над столбиком ртути ничего не осталось, там был вакуум, или, как это в то время называли, торричеллиева пустота. Торричелли догадался, что столб ртути удерживается силой давления атмосферы. Следовательно, столб ртути высотой 76 см уравновешивает, словно на чаше весов, вес столба воздуха высотой в сто километров.

ОПЫТ 26.2

Наберите полную стеклянную бутылку воды. Закройте отверстие пальцем, переверните бутылку и окуните ее горлышко в чашку с водой,

придерживая бутылку другой рукой. Потом палец уберите. Вода вообще не выливается, хотя вы точно повторили опыт Торричелли.

Сравните плотности воды и ртути и попробуйте оценить, какой длины должна быть трубка, чтобы опыт Торричелли можно было повторить с водой.

ОПЫТ 26.3

Окуните стеклянную трубку частично в воду и закройте верхнее отверстие пальцем. Потом выньте трубку из воды (рис. 26.5). Почему вода не выливается из трубки? Сравните давление воздуха в трубке с атмосферным давлением. Отпустите палец. Почему теперь вода выливается?

МАГДЕБУРГСКИЕ ПОЛУШАРИЯ

Чтобы продемонстрировать землякам силу атмосферного давления, бургомистр города Магдебург Отто фон Герике провел эффектный опыт (рис. 26.6). Это было в 1654 году, в присутствии императора Фердинанда III. По заказу Герике были изготовлены два хорошо подогнанных друг к другу полых внутри медных полушария, из которых можно было сложить герметичный шар диаметром 14 дюймов (35,5 см). В одном из полушарий была трубка для откачивания воздуха, и каждое из полушарий имело на поверхности крепкое кольцо. Полушария совместили и откачали воздух из шара, который при этом образовался. Для этого использовали вакуумный воздушный насос, изобретенный тем же Герике. Давление атмосферы настолько сильно сжало полушария, что две упряжки по восемь коней в каждой не смогли их разорвать!

РТУТНЫЙ БАРОМЕТР

Прикрепив рядом с трубкой линейку (рис. 26.7), Торричелли заметил, что уровень ртути ежедневно изменяется. Следовательно, изменяется давление атмосферы. Фактически, Торричелли изготовил первый прибор для измерения атмосферного давления - ртутный барометр. Сегодня прогноз погоды не может обойтись без сообщения о величине атмосферного давления, значительное уменьшение которого может предугадать сильный ветер или даже ураган.

Паскаль повторил опыт Торричелли и установил, что атмосферное давление уменьшается в зависимости от высоты. Возле своего дома он смонтировал водяной барометр с трубой, высота которой достигала почти 11 м. Вода была подкрашена красным вином для удобства наблюдений за изменением уровня.

Поскольку испарения ртути ядовиты, ртутный барометр требует особо осторожного обращения с ним. Кроме того, он громоздок. Поэтому барометр Торричелли используется только в лабораториях. Величину атмосферного давления традиционно измеряют в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.). Давление атмосферы, при котором высота столбика ртути в барометре составляет 760 мм, принято называть нормальным. Пишут: р0 = 760 мм рт. ст. (или 760 мм Hg). Чтобы выяснить, сколько «паскаль» составляет нормальное атмосферное давление, нужно воспользоваться формулой гидростатического давления (26.2), подставив туда плотность ртути и высоту ртутного столбика, выраженную в метрах:

БАРОМЕТР-АНЕРОИД

Для измерения атмосферного давления в быту преимущественно пользуются барометром-анероидом («анероид» значит «безжидкостный»). Вполне возможно, что он есть и у вас дома (рис. 26.8). Чувствительным элементом в этом барометре является металлическая герметичная коробочка, в которой давление воздуха несколько меньше атмосферного. Одна стенка крепится к корпусу, а другая посредством системы рычагов и зубчатых колес двигает стрелку прибора.

Чувствительность анероида достаточно большая - стрелка заметно смещается, если его поднять или опустить на несколько метров. Можно проградуировать шкалу анероида непосредственно в единицах высоты и получим высотомер - альтиметр. Такими приборами пользуются пилоты и альпинисты.

Если к стрелке барометра прикрепить перо, касающееся поверхности барабана, который вращается и на который натянута специальная бумага в клеточку, то получим барограф (рис. 26.9). Барабан вращается с помощью часового механизма и делает один оборот за сутки. Прибор позволяет получить график изменения давления со временем.

ПРИМЕР 26.1

Вычислите давление столбика ртути высотой 1 мм (то есть 0,001 м). Примите g = 10 H /кг .

Ответ: давление столбика ртути висотой 1 мм приблизительно равно 133 Па.

ПРИМЕР 26.2

Столбик ртутного барометра установился на высоте H над уровнем ртути в чашке (рис. 26.10). Какое давление в ртути в точке А, находящейся на высоте h над уровнем ртути в чашке?

Решение. Очевидно, что давление ртути на уровне поверхности в чашке составляет pg-H. При поднятии вверх высота столба ртути уменьшается - следовательно, уменьшается и давление. В точке А давление станет меньше давления внизу на pgh. Следовательно, давление ртути в точке А составляет:

ТЕМА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

26.1. Попробуйте объяснить, почему в жидкостях и газах давление передается во всех направлениях, а в твердых телах - нет.

КРАТКИЕ ИТОГИ

Столбик ртути в барометре Торричелли удерживается силой атмосферного давления.

Столб атмосферы высотой 100 км оказывает такое же давление, как столб ртути высотой 760 мм

Нормальное атмосферное давление составляет p0 = 760 мм рт. ст., или приблизительно 100 000 Па.

Одна атмосфера (внесистемная единица измерения давления, как и мм рт. ст.) : 1 атм = 101 325 Па (точно).

УПРАЖНЕНИЕ 26

1. Почему сминается пластиковая бутылка, если из нее откачать воздух?

2. Почему мыльный пузырь имеет шарообразную форму?

3. В чем преимущества барометра-анероида по сравнению со ртутным?

4. Каковы сходства и отличия барометра и альтиметра?

5. Для чего служит барограф?

6. Можно ли повторить опыт Торричелли с трубкой, длина которой: а) менее 1 м; б) более 1 м?

7. В каких случаях важно знать величину атмосферного давления или характер его изменения?

8. Почему в горах атмосферное давление меньше, чем на уровне моря?

9. В ванной комнате часто прикрепляют к стене различные предметы с помощью пластиковых присосок. За счет каких сил они «прилипают» к поверхности?

10. Как можно с помощью барометра измерить высоту дома?

11. Как изменится атмосферное давление при опускании в глубокую шахту?

12. Почему при быстром снижении самолета (или автомобиля на горной дороге) возникают неприятные ощущения в ушах?

13. Почему в опыте 26.2 вода не выливается из бутылки?

14. Выразите в Па давление столбика: а) 10 см воды; б) 1 см ртути.

15. У подножия горы барометр показывал 754 мм рт. ст., а на вершине - 724 мм рт. ст. а) Какова высота горы? б) Почему результат расчета приблизительный?

16. Что случится, если в трубке ртутного барометра сделать отверстие: а) ниже уровня ртути; б) выше уровня ртути?

17. Какой вес вы должны уравновесить, удерживая рукой бутылку в опыте 26.2: одной только бутылки, или бутылки вместе с находящейся в ней водой?

18. Рассчитайте высоту столба воды в водяном барометре, сконструированном Паскалем, при нормальном атмосферном давлении. Какой длины трубу надо взять для такого барометра?

19. Выразите в Па единицу измерения давления «1 мм водяного столба».

20. Почему бутылка сильногазированной воды такая «твердая»?

21. Почему пенятся «шипучие» напитки, если резко откупорить бутылку?

22. На поршень площадью 6 см2 действует газ, находящийся под давлением 10 атм. Какая сила действует на поршень?

23. Рассчитайте приблизительное значение давления в озере на глубине 10 м. g = 10 H / кг. (Подсказка: ответ 100 000 Па неправильный).

24. Оцените массу земной атмосферы, считая известными нормальное атмосферное давление и радиус Земли. Площадь поверхности шара вычисляется по формуле S = 4 π R2, радиус Земли составляет 6 400 км..

25. Через какое время после начала работы компрессорной станции вырастет давление в трубе газопровода в месте, находящемся на расстоянии 660 км от станции? Скорость звука в газе 330 м/с.

26. Выберите наибольшее значение давления: 1) 750 мм рт. ст.; 2) 1 атм; 3) 1·105 Па.

27. Площадь потолка в комнате 20 м2. Какая сила давления и в каком направлении действует на потолок, если давление воздуха 100 000 Па??

28. В U-образной стеклянной трубке, запаянной с правой стороны, находится ртуть.

Определите давление воздуха р в правой части трубки (рис. 26.11). рд - атмосферное давление.

29. В открытой с одного конца тонкой трубке находится воздух, который закрыт столбиком ртути длиной h = 4 см (рис. 26.12).

Атмосферное давление р0 = 760 мм рт. ст.

Каково давление р (в мм рт. в.), в случае, когда: а) трубка расположена горизонтально, б) трубка расположена вертикально, открытым концом кверху, в) трубка расположена вертикально, открытым концом книзу?

-Отто фон Герике (1602-1686, Otto von Guericke). Родился в г. Магдебург. Немецкий физик, инженер и политический деятель. Изучал естественные науки в университете города Лейпцига, право в университете города Йена, математику и механику в городе Лейдене. С 1631 года служил инженером в армии шведского короля Густава II. С 1646 по 1681 год избирался бургомистром города Магдебурга и членом магистрата города Бранденбурга.

В 1650 году Отто Герике сконструировал вакуумный насос. Опыты с вакуумом поразили современников, поскольку в те времена ученые утверждали, что пустого места в пространстве в принципе не может существовать. Он выяснил, что свет распространяется и в пустоте, а звук -нет. Колокольчик в вакууме не звонил, животные погибали, свеча гасла, рыба раздувалась. Выяснилось, что кислород необходим для дыхания и горения.

_|Когда Герике откачал насосом воздух из жестяной коробки, она была смята атмосферным давлением. Герике организовал показ знаменитого опыта с «Магде-бургскими полушариями», демонстрируя соотечественникам давление атмосферы, в которое тогда также никто не верил.

Отто фон Герике изобрел электростатическую машину и выяснил, что сера светится при сильной электризации, то есть открыл явление люминесценции.

Герике также изучал астрономию и предложил гипотезу о том, что кометы прилетают к нам из окраин Солнечной системы. Это предположение позднее подтвердили астрономы-профессионалы.

 

Это материал учебника Физика за 7 класс Пшеничка

 



Попередня сторінка:  25. Давление жидкостей и газов. Сообщаю...
Наступна сторінка:   27. Манометры. Насосы. Гидравлический п...



^