Атмосферное давление. Опыт Торричелли.

О том, что Земля покрыта воздушной оболочкой под названием атмосфера, вы узнали на уроках географии, давай­те же вспомним, что вам известно об атмосфере из курса географии? Она состоит из газов. Они полностью заполняют предоставленный им объём.

Возникает вопрос: почему молекулы воздуха в атмосфере, двигаясь непрерывно и беспорядочно, не улетают в мировое пространство? Что удерживает их у поверхности Земли? Какая сила? Удерживает сила тяжести! Значит, у атмосферы есть масса и вес?

А почему атмосфера “не оседает” на поверхность Земли?Потому что между молекулами воздуха есть силы не только притяжения, но и отталкивания. К тому же, чтобы покинуть Землю, они должны обладать скоростью не меньше 11,2 км/с, это вторая космическая скорость. Большинство молекул имеют скорость меньше 11,2 км/с.

Опыт 1. Возьмём два резиновых шарика. Один надутый, другой нет. Что в надутом шарике? Положим на весы оба шарика. На одну чашу надутый шарик, на другую сдутый. Что мы видим? (Надутый шарик тяжелее).

Мы выяснили, что на воздух, как и на всякое тело, находящиеся на Земле, действует сила тяжести, обладает массой, и, следовательно, обладает весом.

Ребята, вытяните руки вперед ладонями вверх. Что вы чувствуете? Вам тяжело? А ведь на ваши ладони давит воздух, причем, масса этого воздуха равна массе КАМАЗа, груженого кирпичом. То есть около 10 тонн! Ученые подсчитали, что столб воздуха давит на площадь 1 см² с такой силой, как гиря в 1 кг 33 г.

Масса воздуха в 1м³ воздуха: на уровне моря – 1 кг 293г; на высоте 12 км – 310 г; на высоте 40 км – 4г.

Почему же мы не ощущаем этого веса?

Как передаётся давление, производимое на нижний воздушный слой верхним слоем? Каждый слой атмосферы испытывает давление со стороны всех верхних слоёв, а, следовательно, земная поверхность и тела, находящиеся на ней, испытывают давление всей толщи воздуха, или, как обычно говорят, испытывают атмосферное давление, и, согласно закону Паскаля, это давление передаётся одинаково по всем направлениям.

Из какого вещества состоит атмосфера? Из воздуха? А он что собой представляет? Воздух- смесь газов: 78% - азот, 21%- кислород, 1%- другие газы (углерод, водяной пар, аргон, водород…). О том, что воз­дух имеет вес, мы часто за­бы­ва­ем. Между тем, плот­ность воз­ду­ха у по­верх­но­сти Земли при 0°С со­став­ля­ет 1,29 кг/м³. То, что воз­дух дей­стви­тель­но имеет вес, было до­ка­за­но Га­ли­ле­ем. А уче­ник Га­ли­лея Эван­дже­ли­ста Тор­ри­чел­ли пред­по­ло­жил и смог до­ка­зать, что воз­дух ока­зы­ва­ет дав­ле­ние на все тела, на­хо­дя­щи­е­ся на по­верх­но­сти Земли. Это дав­ле­ние на­зы­ва­ет­ся ат­мо­сфер­ным дав­ле­ни­ем.

Атмосферное давление – давление, оказываемое атмосферой Земли на все находящиеся на ней предметы.

Это современные теоретические знания, а как об атмосферном давлении узнавали на практике?

Предположения о существовании атмосферного давления возникли в 17 веке.

Большую известность по его изучению получили опыты немецкого физика и бургомистра г. Магдебурга Отто фон Герике. Откачивая как-то воздух из тонкостенного металлического шара, Герике вдруг увидел, как этот шар сплющился. Размышляя над причиной аварии, он понял, что расплющивание шара произошло под действием давления окружающего воздуха.

Для доказательства существования атмосферного давления он задумал и провёл такой опыт.

8 мая 1654 года в германском городе Регенсбург при весьма торжественной обстановке собралось много знати во главе с императором Фердинандом III. Все они стали свидетелями поразительного зрелища: 16 лошадей изо всех сил старались разнять 2 приложенных медных полушария, имевших диаметры около метра. Что связывало их? Ничто! – воздух. Однако 8 лошадей тянувших в одну сторону и 8 в другую не могли разнять полушария. Так бургомистр г. Магдебурга Отто фон Герике показал всем, что воздух, вовсе не ничто и что он давит со значительной силой на все тела. (2 помощника)

Кстати “Магдебургские полушария” есть у всех людей – это головки бедренных костей, которые удерживаются в тазовом суставе атмосферным давлением.

Сейчас мы с вами повторим опыт с Магдебургскими полушариями и раскроем его секрет.

Опыт 2. Возьмём два стакана. Поставим зажженный огарок свечи в один из стаканов. Вырежем из нескольких слоёв газетной бумаги кольцо диаметром немного больше, чем внешний край стакана. Смочив бумагу водой, положим на верхний край первого стакана. Осторожно (медленно) поставим на эту прокладку перевёрнутый второй стакан и прижмём его к бумаге. Свеча вскоре потухнет. Теперь, взявшись рукой за верхний стакан, поднимем его. Мы увидим, что нижний стакан как бы прилип к верхнему и поднялся вместе с ним. Почему это произошло? Огонь нагрел воздух, содержащийся в нижнем стакане, а, как мы уже знаем, нагретый воздух расширяется и становится легче, поэтому часть его вышла из стакана. Значит, когда оба стакана были плотно придавлены один к другому, в них было меньше воздуха, чем до начала опыта. Свеча потухла, как только был израсходован весь содержащийся в стаканах кислород. После того как оставшиеся внутри стакана газы остыли, там возникло разряжённое пространство, а атмосферное давление снаружи осталось неизменным, поэтому оно плотно придавило стаканы один к другому, и когда мы подняли верхний из них, то и нижний поднялся вместе с ним. Мы видим, что давление атмосферы - большое.

Как же измерить давление атмосферы?

Рас­счи­тать ат­мо­сфер­ное дав­ле­ние по фор­му­ле рас­че­та дав­ле­ния стол­ба жид­ко­сти нель­зя. Ведь для этого необ­хо­ди­мо знать плот­ность и вы­со­ту стол­ба жид­ко­сти или газа. Но у ат­мо­сфе­ры нет чет­кой верх­ней гра­ни­цы, а плот­ность ат­мо­сфер­но­го воз­ду­ха умень­ша­ет­ся с ро­стом вы­со­ты. По­это­му Тор­ри­чел­ли пред­ло­жил со­вер­шен­но дру­гой спо­соб для на­хож­де­ния ат­мо­сфер­но­го дав­ле­ния.

Тор­ри­чел­ли взял стек­лян­ную труб­ку дли­ной около од­но­го метра, за­па­ян­ную с од­но­го конца, налил в эту труб­ку ртуть и опу­стил труб­ку от­кры­тым кон­цом в чашу с рту­тью. Неко­то­рое ко­ли­че­ство ртути вы­ли­лось в чашу, но боль­шая часть ртути оста­лась в труб­ке. Изо дня в день уро­вень ртути в труб­ке незна­чи­тель­но ко­ле­бал­ся, то немно­го опус­ка­ясь, то немно­го под­ни­ма­ясь.

Дав­ле­ние ртути на уровне ее поверхности со­зда­ет­ся весом стол­ба ртути в труб­ке, так как в верх­ней части труб­ки над рту­тью воз­ду­ха нет (там ва­ку­ум, ко­то­рый по­лу­чил на­зва­ние «тор­ри­чел­ли­е­ва пу­сто­та»). От­сю­да сле­ду­ет, что ат­мо­сфер­ное дав­ле­ние равно дав­ле­нию стол­ба ртути в труб­ке. Из­ме­рив вы­со­ту стол­ба ртути, можно рас­счи­тать дав­ле­ние, ко­то­рое про­из­во­дит ртуть. Оно будет равно ат­мо­сфер­но­му. Если ат­мо­сфер­ное дав­ле­ние умень­ша­ет­ся, то столб ртути в труб­ке Тор­ри­чел­ли по­ни­жа­ет­ся, и на­о­бо­рот. На­блю­дая еже­днев­но за из­ме­не­ни­ем уров­ня стол­ба ртути, Тор­ри­чел­ли за­ме­тил, что он может по­вы­шать­ся и по­ни­жать­ся. Также Тор­ри­чел­ли свя­зал эти из­ме­не­ния с из­ме­не­ни­я­ми по­го­ды.

В настоящее время давление атмосферы, равное давлению столба ртути высотой 760 мм при температуре 0°С, принято называть нормальным атмосферным давлением, что соответствует 101 325 Па.

760 мм рт. ст. =101 325 Па 1 мм рт. ст. =133,3 Па

Если к труб­ке Тор­ри­чел­ли при­кре­пить вер­ти­каль­ную шкалу, то по­лу­чит­ся про­стей­ший при­бор для из­ме­ре­ния ат­мо­сфер­но­го дав­ле­ния – ртут­ный ба­ро­метр.

Но ис­поль­зо­ва­ние ртут­но­го ба­ро­мет­ра небез­опас­но, так как пары ртути ядо­ви­ты. Впо­след­ствии были со­зда­ны дру­гие при­бо­ры для из­ме­ре­ния ат­мо­сфер­но­го дав­ле­ния, с ко­то­ры­ми вы по­зна­ко­ми­тесь в ходе сле­ду­ю­ще­го урока.

Атмосферное давление, близкое к нормальному, наблюдается обычно в местностях, находящихся на уровне моря. С увеличением высоты над уровнем моря (например, в горах) давление уменьшается.

Опыты Торричелли заинтересовали многих ученых — его современников. Когда о них узнал Паскаль, он повторил их с разными жидкостями (маслом, вином и водой).

Опыт 3. Если в крышке бутылки с водой сделать отверстие, сжать и выпустить немного воды. Что происходит с формой бутылки? Почему она деформируется? Что нужно сделать, чтобы она распрямилась и вода снова стала интенсивно выливаться? (в результате прокола бутылки атмосферный воздух стал поступать в бутылку и давить на воду, это используется в капельницах при подаче лекарств).

Этот способ изменения давления в бутылке используют хозяйки в кулинарии при отделении желтков от белков. Каким образом?

Атмосферным давлением объясняется и засасывающее действие болота или глины. Когда человек пытается вытащить ногу из болота или глины, под ней образуется разрежение, а атмосферное давление не меняется. Перевес атмосферного давления может достигать 1000 Н на ногу взрослого человека.

Опыт 4. Как достать монетку руками со дна тарелки с водой, не намочив их? Надо в тарелку с водой поставить кусочек картофелины с воткнутыми в него спичками или свечку и зажечь. Сверху накрыть стаканом. Горение прекратилось и вода собралась в стакане и монету можно свободно взять с сухой тарелки. Что же заставило собраться воду под стаканом?

Мы с вами наблюдали интересные явления, которые вызваны действием атмосферного давления. Где вы видели в жизни такие приспособления, действия которых основано на существовании и изменении атмосферного давления?