Урок Измерение атмосферного давления Опыт Торричелли

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа №39

Измерение атмосферного давления.

Опыт Торричелли.

Клочкова Н.Ф. - учитель физики

г.Воронеж - 2016г.

Оборудование: письменные и чертежные принадлежности, проектор, ноутбук.

Цели урока:

1. Обучающие цели:

Усвоить следующие элементы неполного опыта учащихся в рамках отдельного урока:

изучить возможные способы измерения атмосферного давления.

2. Развивающие цели урока:

• формирование научного мировоззрения на основе сравнения, анализа, обобщения, умения делать выводы.

• комплексное решение проблем на основе знаний математики, физики и информатики;

• развитие аналитико-синтетического и образного мышления учащихся, побуждение учащихся к осмыслению и нахождению причинно-следственных связей.

• формировать и развивать ключевые компетенции: информационную, организационную, самоорганизационную, коммуникационную.

3. Воспитательные цели урока:

развитие эстетического восприятия материала, используя в презентации оригинальный дизайн и эффекты анимации;

План урока:

Орг. Момент.

Опрос (фронтально)

1) Что называется атмосферой?

2) Какой скоростью должна обладать молекула, чтобы преодолеть силу притяжения Земли?

3) Какими двумя факторами обусловлено существование атмосферы у Земли?

4) Какие явления свидетельствуют о существовании атмосферного давления?

5) Как объяснить действие ливера, пипетки, автоматической ручки?

III. Изучение нового материала.

1. Почему важно знать атмосферное давление?

Атмосферное давление необходимо знать людям разных профессий: летчикам и медикам, полярникам и ученым. Атмосферное давление - это величина, которая помогает предсказывать погоду. Если атмосферное давление повышается, это говорит о том, что погода будет хорошей: зимой - морозной, а летом - жаркой. Если же атмосферное давление понижается, это может предвещать ухудшение погоды: появление облачности, выпадение осадков. Летом - это понижение температуры, а зимой - потепление.

2. Как велико, на ваш взгляд, атмосферное давление?

Большую известность получили также опыты немецкого физика Отто фон Герике (1602-1686). К выводу о существовании атмосферного давления он пришел независимо от Торричелли (об опытах которого он узнал с опозданием на девять лет). 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.

В 1654 г. Герике, желая убедить всех в существовании атмосферного давления, произвел знаменитый опыт с "магдебургскими полушариями". На демонстрации опыта присутствовали император Фердинанд III и члены Регенсбургского рейхстага. В их присутствии из полости между двумя сложенными вместе металлическими полушариями выкачали воздух. При этом силы атмосферного давления так сильно прижали эти полушария друг к другу, что их не смогли разъединить несколько пар лошадей (рис.120).

Рисунок 120. Опыт с "магдебургскими полушариями".

3. История открытия атмосферного давления.

Во Флоренции при помощи насосов хотели откачать воду со значительной глубины, но она не поднялась выше 10м. Решили, что насосы неисправны. Обратились за советом к Галилею. Он исследовал насосы и нашел, что они в порядке. Но почему же вода тогда не поднимается выше 10м? Выяснением этого вопроса и занялся Галилей, который проделал некоторые опыты, но был уже стар и довести их до конца не смог. Ученик Галилея Э.Торричелли продолжил исследование своего учителя. Он решил заменить длинную непрозрачную трубку насоса стеклянной трубкой со ртутью. В 1643г. этот опыт был осуществлен Вивиани.

4. Измерение атмосферного давления

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 (см. рис. ) предположил и смог доказать, что воздух оказывает давление на все тела, находящиеся на поверхности Земли. Это давление называется атмосферным давлением.

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.

Рис. Эванджелиста Торричелли (1608-1647) Рис. Схема опыта Торричелли

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. В ее верхней части образовалось безвоздушное пространство - "торричеллиева пустота" (рис. ). Изо дня в день уровень ртути в трубке незначительно колебался, то немного опускаясь, то немного поднимаясь.

Давление ртути на уровне а-а₁ 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 (см. рис. ).

5. Миллиметр ртутного столба - внесистемная единица давления

На практике атмосферное давление можно измерять высотой ртутного столба. Если, например, атмосферное давление равно 780 миллиметров ртутного столба (обозначается «мм рт. ст.»), то это означает, что воздух производит точно такое же давление, как столб ртути высотой 780 мм. В этом случае за единицу давления принимают 1 мм рт. ст. Найдем соотношение между этими единицами измерения и известной нам единицей измерения давления - паскалем.

Рассчитаем давление столба ртути высотой 1 мм. Это можно сделать с помощью известной нам формулы

где ρ = 13 600 кг/м³ - плотность ртути,

g = 9,8 Н/кг - ускорение свободного падения,

h = 1 мм - высота столба жидкости.

Подстановка этих числовых значений дает:

Таким образом, 1 мм рт. ст. ≈ 133,3 Па.

6. Ртутный барометр

Наблюдая ежедневно за изменением уровня столба ртути, Торричелли заметил, что он может повышаться и понижаться. Также Торричелли связал эти изменения с изменениями погоды. 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.

Любопытно, что "магдебургские полушария" имеются у каждого человека: головки бедренных костей удерживаются в тазовом суставе атмосферным давлением.

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

Чтобы рассчитать это давление в паскалях, воспользуемся формулой гидростатического давления:

Подставляя в эту формулу значения р= 13595,1 кг/м³ (плотность ртути при 0 °С), g = 9,80665 м/с² (ускорение свободного падения) и h = 760 мм = 0,76 м (высота столба ртути, соответствующая нормальному атмосферному давлению), получим следующую величину:
р= 101 325 Па.

Это и есть нормальное атмосферное давление.

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). На рисунке 119 изображен водяной барометр, созданный Паскалем в 1646 г. Столб воды, уравновешивающий давление атмосферы, оказался намного выше столба ртути.

Водяной барометр.

7.Закрепление

Вопросы.

1. Почему давление атмосферы нельзя рассчитать так же, как рассчитывают давление жидкости на дно сосуда?

2. Расскажите об опыте Торричелли.

3. Что означает запись: "Атмосферное давление равно 780 мм рт. ст."?

4. Как называют прибор для измерения атмосферного давления?

5. Какое давление называют нормальным атмосферным давлением? Чему оно равно?

6. Как изменяется атмосферное давление при увеличении высоты над Землей? Почему?

Решение задачи №2 из упр.19

Домашнее задание:

1. Перышкин А.В. Дрофа 2011 параграф 42, упр.19 (1, 3-5).

2. Лукашик В. И., Иванова Е. В. Сборник задач по физике для 7-9 классов №555, 556, 559, 560, 563, 569.

3. Экспериментальные задания. (домашние)

1. Погрузите стакан в воду, переверните его под водой вверх дном и затем медленно вытаскивайте из воды. Почему, пока края стакана находятся под водой, вода остается в стакане (не выливается)?

2. Наполните стакан водой, закройте листом бумаги и, поддерживая лист рукой, быстро переверните стакан вверх дном. Если теперь отнять руку от бумаги, то вода из стакана не выльется. Бумага останется как бы приклеенной к краям стакана. Почему?

Список литературы

1. Перышкин А. В. Физика. 7 кл. - 14-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2010.

2. Е. В. Сборник задач по физике для 7-9 классов общеобразовательных учреждений. - 17-е изд. - М.: Просвещение, 2004.