Атмосферний тиск і його вимірювання.

Мета.

Навчальна. Ознайомити учнів з поняттями «атмосфера», атмосферний тиск, виявити причини, які обумовлюють існування атмосфери; розглянути пристрій і принцип дії барометра-анероїда; розглянути історію відкриття атмосферного тиску, виявити місце цього явища в житті людей, вивчити його практичне значення; формувати науковий світогляд. Вчитися розв’язувати розрахункові задачі до теми.

Розвиваюча. Розвивати цікавість до предмету, експериментувати і в сукупності – розвивати творчі здібності, вміння робити висновки і узагальнення.

Виховна. Виховувати культуру наукового мислення та мовлення.

Тип уроку. Урок засвоєння нових знань.

Дидактичні матеріали:

• Підручник. Фізика 7 клас, Бар'яхтар В. Г. Довгий С. О., видавництво "Ранок"
• Демонстрація. Атмосферний тиск у побуті (вантуз, присоски, напувалка для курей, банка з водою).
• Демонстрація. Принцип дії всмоктувального насоса (модель всмоктувального насоса, оптична лавка).
• Відео. Дослід Торрічеллі (Час показу 3:38 хв).
• Демонстрація. Прилади для вимірювання атмосферного тиску (барометр-анероїд; барограф).
• Демонстрація. Магдебурзькі півкулі (магдебурзькі півкулі, штатив з муфтою й лапкою, насос Комовського, гиря 5 кг).
• Відео. Магдебурзькі півкулі (Час показу 0:51 хв).
• Відео. Історія барометра (Час показу 3:32 хв).

План

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.
2. Атмосферний тиск і його вимірювання.
3. Вчимося розв’язувати задачі.
4. Запитання до уроку.
5. Домашнє завдання.
6. Перевір себе.
7. Для допитливих.

Хід уроку

1. Актуалізація опорних знань.

Перевірка домашнього завдання.

2. Атмосферний тиск  і його вимірювання.

Атмосферний тиск. Земля оточена повітряною оболонкою у вигляді кулястого шару, яку називають атмосферою. Атмосфера, як показали космічні польоти, сягає на висоту кількох тисяч кілометрів. Вимірювання показують, що густина повітря швидко зменшується з висотою. На висоті 5,5 км над Землею густина повітря в 2 рази менша від його густини біля поверхні Землі. На висоті 11 км – у 4 рази менша. Чим вище, тим повітря більш розріджене. І нарешті у найвищих шарах (сотні й тисячі кілометрів над Землею) атмосфера поступово переходить у безповітряний простір. Чіткої межі повітряна оболонка, що оточує Землю, не має. Атмосфера поступово переходить у порожній космічний простір - вакуум, де тиск практично дорівнює нулю.

Внаслідок дії сили тяжіння верхні шари повітря, подібно воді океану, стискають нижні шари. Повітряний шар, що прилягає безпосередньо до Землі, стиснутий найбільше і згідно з законом Паскаля передає тиск, який діє на нього, в усіх напрямках. У результаті цього земна поверхня і тіла, що перебувають на ній, зазнають тиску всієї товщі повітря, або, як звичайно говорять, зазнають атмосферного тиску.

Тиск, який створює атмосфера на всі тіла, що в ній перебувають, а також на земну поверхню, називають атмосферним тиском.

Важко повірити, що над кожним квадратним метром поверхні нависає десять тонн повітря. 

 Чому ж ми цього не помічаємо?

Атмосферне повітря тисне на землю і на нас з вами, але ми цим повітрям дихаємо, і тиск всередині нас урівноважує атмосферний тиск.

Висновок про існування атмосферного тиску незалежно один від одного в середині ХVІІ ст. зробили італійський учений Еванджеліста Торрічеллі і німецький фізик Отто фон Геріке (1602-1686).

Для демонстрації сили тиску повітря і винайденого повітряного насоса Отто фон Геріке провів експеримент з півкулями.

 а)    б)   

Мал. а) Отто фон Геріке; б) магдебурзькі півкулі.

В експерименті використовувалися “дві мідних півкулі близько 14 дюймів (35,5 см) в діаметрі, порожнисті всередині і притиснуті один до одного, між ними помістили шкіряне кільце, просочене розплавленим воском”. Із зібраної сфери викачували повітря, і півкулі утримувалися тиском зовнішньої атмосфери.

У 1654 в Регенсбурзі фон Геріке продемонстрував експеримент Рейхстагу в присутності імператора Фердинанда III. Після викачування зі сфери повітря, 16 коней, по 8 з кожної сторони (більше коней не знайшлося) не змогли розірвати півкулі. Коли ж в порожнину між півкулями впустили повітря, півкулі розпалися без жодного зовнішнього зусилля. Оригінальні півкулі до цього часу зберігаються в Німецькому музеї в Мюнхені.

Демонстрація. Магдебурзькі півкулі (магдебурзькі півкулі, штатив з муфтою і лапкою, насос Комовського, гиря 5 кг)

Відео. Магдебурзькі півкулі (Час показу 0:51 хв)

 Вимірювання атмосферного тиску. Так як атмосферне повітря не має постійної густини, формула гідростатичного тиску не підходить. Як виміряти тиск атмосфери, вперше у 1644 році здогадався італійський вчений Е. Торрічеллі. 

а) б) в)

Мал. а) Еванджеліста Торрічеллі; б)  дослід Торрічеллі; в) ртутний барометр.

Відео. Дослід Торрічеллі (Час показу 3:38 хв).

Запаяну з одного кінця скляну трубку завдовжки 1 м учений вщерть заповнив ртуттю і не запаяним кінцем занурив у посудину з цією самою речовиною. Ртуть почала виливатися із трубки в посудину, але не вся, зупинилась на позначці 760 мм від поверхні ртуті в посудині. Торрічеллі повторив дослід, розташувавши трубку не вертикально, а похило. І знову відстань від поверхні ртуті у посудині до її краю у трубці становила 760 мм. Провівши численні досліди вчений встановив, що висота стовпа ртуті не залежить а ні від довжини трубки, а ні від її діаметра. Одержаний результат він пояснив тим, що стовпчик ртуті у трубці і повітря над відкритою поверхнею ртуті тиснуть на неї однаково: ратм=рртуті. 

Тиск атмосфери, що дорівнює тиску стовпа ртуті висотою 760 мм при температурі 00С, називають нормальним атмосферним тиском.

Міліметр ртутного стовпа (мм.рт.ст) — позасистемна одиниця вимірювання тиску, яку іноді називають «торр» на честь Е. Торрічеллі. Вимірювання в мм.рт.ст. використовуються, наприклад, у вакуумній техніці, в метеорологічних повідомленнях, аеронавігації, при вимірюванні кров'яного тиску.

1 мм.рт.ст.= 13600 кг/м3*9,8 Н/кг*0,001 м =133,3 Па

760 мм.рт.ст=101 325 Па105 Па1 атм (1 атмосфера)

Якщо вдосконалити трубку Торрічеллі, приєднавши до неї вертикальну шкалу (лінійку), то отримаємо найпростіший барометр.

Барометр - прилад для вимірювання атмосферного тиску. Як рідина в барометрі використовується ртуть, оскільки у неї дуже висока густина (≈13600 кг/м³). Барометр є доволі точним приладом, але великий розмір, отруйні пари ртуті та скляна трубка роблять його незручним для повсякденного використання.

Більш практичним приладом вимірювання атмосферного тиску є барометр-анероїд. Зміна атмосферного тиску призводить до зміни сили, що стискає стінки гофрованої коробочки, з якої частково викачали повітря. Відповідно, змінюється й вигин стінок. Вигин стінок коробочки передається стрілці й спричиняє її рух.

Для безперервного запису зміни атмосферного тиску використовують барограф.

а)  б) в)

Мал. а) Барометр-анероїд; б) будова барометра-анероїда; в) барограф.

Демонстрація. Прилади для вимірювання атмосферного тиску (барометр-анероїд, барограф).

Мал. Саморобні барометри.

Відео. Історія барометра (Час показу 3:32 хв).

Проте, покази барометра залежать не тільки від погоди, а й від висоти місця спостереження над рівнем моря. Експериментально встановлено, що біля поверхні Землі з невеликими змінами висоти (декілька сотень метрів) тиск змінюється приблизно на 1 мм.рт.ст. кожні 11-12 м. Якщо значення атмосферного тиску змінюється більш ніж на 10 одиниць як у більшу, так і у меншу сторону, людський організм реагує загальним погіршенням самопочуття.

 а)  б) 

Мал. а) Тиск з підняттям вгору зменшується; б) альтиметр на руці у парашутиста.

Завдяки тому що атмосферний тиск залежить від висоти, барометр можна проградуювати так, щоб за тиском повітря визначати висоту. Так було винайдено альтиметр - прилад для вимірювання висоти.

 Використання особливостей атмосферного тиску в природі та в житті людини.  Атмосферний тиск зумовлює існування всмоктування, що призводить до підняття рідини за поршнем. Якщо різко підняти рукоятку поршня, то між ним і рідиною утвориться безповітряний простір, тиск у якому практично дорівнює нулю. Тому атмосферний тиск, впливаючи на поверхню рідини в посудині, витисне рідину нагору по трубці в простір з меншим тиском. Таким чином набирають рідину в шприц. За цим принципом працюють всмоктувальні насоси, що піднімають воду з колодязів. Та коли почали закачувати воду на велику висоту, виявилося, що її можна закачати лише до висоти, яка приблизно становить 10,5 м, а далі “відмовляється” йти за поршнем, оскільки сила тиску стовпа води врівноважує силу атмосферного тиску.

Мал. Підняття рідини за поршнем.

Мал. У 1638 році не вдалося прикрасити сади Флоренції фонтанами, оскільки вода не піднімається вище за 10,34 м.

Демонстрація. Принцип дії всмоктувального насоса (модель всмоктувального насоса, оптична лавка).

Завдяки тиску атмосферного повітря працюють присоски для кріплення предметів на гладеньких плоских поверхнях; якщо витиснути повітря з-під присоски, то вона буде притиснута силою тиску атмосфери; тоді, щоб її відірвати, потрібно прикласти надзвичайно великі зусилля. Присоски є досить поширеними як в побуті так і техніці.

 а)  б)  в) 

Мал. а) Присоски-тримачі; б) вантуз; в) вакуумна ручка.

Демонстрація. Принцип дії присоска (присосок).

За допомогою присосків восьминоги, мухи та інші комахи та тварини можуть  переміщуватись по будь-яких поверхнях.

Деякі види павуків, що живуть бі­ля водойм, будують для себе будиночки, що мають форму ковпака, наповненого повітрям і відкрито­го знизу. Вода не затоплює цей будиночок, бо тиск повітря в ньому дещо вищий від атмосферного, який і врівноважує тиск води на заданій глибині. Запас повітря поповнюється за рахунок бульба­шок повітря, які павук приносить із поверхні води на своєму тілі.

3. Вчимося розв’язувати задачі.

 Задача 52.1. 

а) Виразіть 780 мм.рт.ст у кПа.

б) Виразіть тиск 200 кПа у міліметрах ртутного стовпа.

 Задача 52.2. Атмосферний тиск у підніжжя будинку становить 764 мм.рт.ст., а на його даху - 760 мм.рт.ст. Яка висота будинку?

4. Запитання до уроку.

Запитання 52.1. Внаслідок чого створюється атмосферний тиск? Як змінюється атмосферний тиск при збільшенні висоти над Землею?

Запитання 52.2. Який тиск називають нормальним атмосферним тиском? Чому він дорівнює?

Запитання 52.3. Які прилади використовують для вимірювання атмосферного тиску? Який принцип дії цих приладів?

Запитання 52.4. Склянку з водою прикрили цупким папером та перевернули догори дном. Чому вода не виливається з посудини?

Запитання 52.5. Сила тиску повітря на поверхню учнівської парти становить понад 70 кН. Чому не спостерігаються наслідки дії цієї сили?

Запитання 52.6. Чому з пляшки з газованою водою, яку відкрито в глибокій шахті, не виходять бульбашки газу? Чому пляшки з газованою водою є джерелом небезпеки під час польоту на повітряній кулі?

Запитання 52.7. На рисунку зображено стратостат на різних висотах. Який з випадків (а) чи (б) відповідає меншій висоті?

Мал. до запитання 52.7.                              Мал. до запитання 52.8.

Запитання 52.8. На рисунку зображено схему моделі анероїда. Куди буде пересуватися кінець стрілки, якщо атмосферний тиск збільшиться? зменшиться?

Запитання 52.9. Що притискує до скла (або інших гладких поверхонь) гумові присоски?

Запитання 52.10. Де атмосферний тиск є більшим: на першому поверсі хмарочоса чи на сотому?

Запитання 52.11. а) Як помістити варене очищене яйце в пляшку з шийкою трохи меншою самого яйця; б) Як дістати монету з тарілки з водою, не замочивши руки?

Мал. до запитання 52.11 (а).      Мал. до запитання 52.11 (б).

Запитання 52.12. Чому молекули газів, що входять до складу атмосфери, не падають на Землю під дією сили тяжіння?

5. Домашнє завдання.

Підручник:  §31.

Усне опитування по запитаннях до уроку.

Задача 52.3.

а) Виразіть тиск 380 мм.рт.ст. у кілопаскалях.

б) Виразіть тиск 270 кПа у міліметрах ртутного стовпа.

Задача 52.4. Барометр перенесли з дна шахти на поверхню, при цьому він зафіксував зміну тиску з 770 до 745 мм рт. ст. Якою є глибина шахти? Температура повітря становить 0 °С.

6. Перевір себе.

7. Для допитливих.

Задачі підвищеної складності:

Задача 52.1.О. Експерти ООН вважають, що для уповільнення глобального потепління жителям планети доведеться переглянути весь уклад життя. Адже через потепління морів тане група льодовиків Антарктиди. Так нещодавно від потужного шельфового льодовика відколовся столоподібний айсберг. Визначте атмосферний тиск на його вершині, якщо на шельфовому льодовому полі висотою 1950 м він становив 530 мм рт. ст.