Конспект урока по физике на тему "Измерение атмосферного давления. Опыт Торричелли" (7 класс)

Цели урока:

• Образовательная:
  1) раскрыть явления, подтверждающие существование атмосферного давления;
  2) объяснить, что причиной увеличения атмосферного давления с уменьшением высоты
  является сила притяжения к Земле;
  3) познакомить учащихся с примером определения атмосферного давления, раскрыть физическое
  содержание опыта Торричелли;
  4) изучить работу и устройство барометра-анероида;
  5) научить определять атмосферное давление с помощью барометра-анероида.

• Развивающая: развивать у учащихся логическое мышление, наблюдательность, познавательный интерес к физике и технике.

• Воспитательная: воспитать у учащихся необходимость заботиться о чистоте атмосферного воздуха и соблюдать правила охраны природы. В связи с тем, что жизнь человека протекает на поверхности Земли в нижних слоях атмосферы, то каждый человек должен уметь определять значение атмосферного давления,
  так как у многих от его изменения зависит изменение кровяного давления.

Структура урока:

1. Организационная часть.

2. Повторение пройденного материала.

3. Изучение нового материала.

4. Барометр-анероид

5. Решение задач

6. Закрепление

7. Домашняя работа

Ход урока

1. Организационная часть:

• приветствие;

«Знания без применения – тучи без дождя» Как вы это понимаете? Знания сами по себе не столь ценны, как умение их применять, зачастую от этого умения зависит исход достижения цели.

• проверка отсутствующих;

• несколько слов о предстоящем уроке (постановка задачи).

2. Проверка знаний, умений и навыков учащихся по предыдущим темам

Фронтальный опрос:

– Что такое давление? (Давление – это физическая величина, равная отношению силы, действующей на тело к площади этой поверхности
p = F/S)

– В каких единицах выражается давление в СИ? (1 Па = 1Н/1 м²)

– От чего зависит давление, оказываемое жидкостями и газами? (От рода вещества и высоты столба; формула p = ρgh)

– Что называется атмосферой? (Атмосфера – воздушная оболочка Земли)

– Что называется атмосферным давлением? (Атмосферное давление – давление атмосферы или воздушной оболочки Земли)

– Почему существует воздушная оболочка Земли? (На молекулы воздуха действует сила тяжести. Чтобы выйти за пределы притяжения Земли, необходимо развить очень большую скорость – 11,2 км/с. Скорость большинства молекул значительно меньше)

Воздух состоит из отдельных атомов и молекул, и каждая частица обладает массой, следовательно, атмосфера всей своей массой оказывает давление на поверхность Земли.

- А почему атмосфера “не оседает” на поверхность Земли?
(Потому что, молекулы газов, составляющих атмосферу, движутся непрерывно и беспорядочно.)

А теперь проверим ваши знания литературы. Все Вы наверно знаете стихотворение великого русского писателя К. И. Чуковского «Айболит». Сейчас я Вам зачитаю отрывок из этого стихотворения, и хочу чтобы Вы объяснили этот отрывок с точки зрения физики.

Внимание вопрос:

…И горы встают перед ним на пути,
И он по горам начинает ползти,
А горы все выше, а горы все круче,
А горы уходят под самые тучи.
“О, если я не дойду,
Если в пути пропаду,
Что станется с ними, с больными
С моими зверями лесными”.

Как вы считаете, почему Айболит боится не дойти?

Человек, как и любой другой организм, не чувствует атмосферного давления, так как оно уравновешивается его внутренним давлением. Однако при резком уменьшении атмосферного давления, например при подъеме в горы, человек начинает чувствовать себя плохо. Это происходит ещё и потому, что атмосфера снабжает нас кислородом.

Колебания атмосферного давления действуют на человека двумя путями: изменяют насыщение крови кислородом и механически раздражают нервные окончания.
При повышении атмосферного давления уменьшается число лейкоцитов в крови, а при понижение увеличивается.
В таких случаях у здоровых людей падает работоспособность, появляется головная боль.

Демонстрация и объяснение принципа действия пипетки и шприца. (Если поднимать поршень шприца, за ним будет подниматься вода, т.к. между ним и водой образуется безвоздушное пространство, в которое под давлением наружного воздуха поднимается вода) (2 мин.)

Решить задачу:

“Определите высоту уровня воды в водонапорной башне, если манометр, установленный у ее основания, показывает давление
220000 Па”

Дано:

ρ = 1000 κг/м³
g ≈ 10 Н/кг
p = 220000 Па
h – ?

Анализ

p = ρgh
h = p/ρg

 

Решение

h = 220000/(1000*10) = 22 (м)
h[Па/(кг/м³)*(Н/кг)] = Н/м²/Н/м³ = м
Ответ: h = 22 м.

3. Изучение нового материала.

1. Историческая справка.

Эванджелиста Торричелли родился 15 октября 1608 г. в небольшом итальянском городе Фаэнца в небогатой семье. Воспитание получил у дяди, бенедиктинского монаха. Дальнейшая жизнь в Риме и общение с известным математиком (учеником Галилея) Кастелли способствовали развитию таланта Торричелли. Большинство трудов ученого по большей части оставались неопубликованными. Торричелли является одним из создателей жидкостного термометра.

Но наиболее известным экспериментальным исследованием Торричелли являются его опыты со ртутью, доказавшие существование атмосферного давления. Заслугой ученого является то, что он решил перейти к жидкости, обладающей большей плотностью, чем вода, – к ртути. Это позволило сделать опыты относительно легко воспроизводимыми. Однако не следует думать, что в середине XVII в. постановка и воспроизведение опытов Торричелли были простым делом. В те времена было довольно трудно изготовить необходимые стеклянные трубки, о чем свидетельствуют неудачи некоторых ученых в постановке аналогичных опытов независимо от Торричелли.

2. Основной материал.

Рассчитать атмосферное давление по формуле для вычисления давления столба жидкости нельзя. Для такого расчета надо знать высоту атмосферы и плотность воздуха. Но определенной границы у атмосферы нет, а плотность воздуха на разной высоте различна. Однако измерить атмосферное давление можно с помощью опыта, предложенного в XVII в. итальянским ученым Эванджелиста Торричелли, учеником Галилея.

Опыт Торричелли состоит в следующем: стеклянную трубку длиной около 1 м, запаянную с одного конца, наполняют ртутью. Затем, плотно закрыв другой конец трубки, ее переворачивают, опускают в чашку с ртутью и под ртутью открывают конец трубки. Часть ртути при этом выливается в чашку, а часть ее остается в трубке. Высота столба ртути, оставшейся в трубке, равна примерно 760 мм. Над ртутью в трубке воздуха нет, там безвоздушное пространство.

Торричелли, предложивший описанный выше опыт, дал и его объяснение. Атмосфера давит на поверхность ртути в чашке. Ртуть находится в равновесии. Значит, давление в трубке на уровне аа₁ равно атмосферному давлению. Если бы оно было больше атмосферного, то ртуть выливалась бы из трубки в чашку, а если меньше, то поднималась бы в трубке вверх.

Торричелли Эванджелиста
(1608–1647}.
Измерил атмосферное давление, разработал ряд вопросов в физике и математике

Давление в трубке на уровне аа₁ создается весом столба ртути в трубке, так как в верхней части трубки над ртутью воздуха нет. Отсюда следует, что атмосферное давление равно рис.1 давлению столба ртути в трубке, т. е.:
Р_атм⁼ Р_ртути

Измерив высоту столба ртути, можно рассчитать давление, которое производит ртуть. Оно и будет равно атмосферному давлению. Если атмосферное давление уменьшится, то столб ртути в трубке Торричелли понизится.

Чем больше атмосферное давление, тем выше столб ртути в опыте Торричелли. Поэтому на практике атмосферное давление можно измерять высотой ртутного столба (в миллиметрах или сантиметрах). Если, например, атмосферное давление равно 780 мм рт. ст., то это значит, что воздух производит такое же давление, какое производит вертикальный столб ртути высотой 780 мм.

Следовательно, в этом случае за единицу атмосферного давления принимают 1 миллиметр ртутного столба (1 мм рт. ст.). Найдем соотношение между этой единицей и известной нам единицей давления – Паскалем (Па).

Давление столба ртути ρ_ртути высотой 1 мм равно:

p = gph, p = 9,8 * 13 600 * 0,001 м ≈ 133,3 Па.

Итак, 1 мм рт. ст. = 133,3 Па.

В настоящее время атмосферное давление принято измерять и в гектопаскалях. Например, в сводках погоды может быть объявлено, что давление равно 1013 гПа, это то же самое, что 760 мм рт. ст.

Наблюдая ежедневно за высотой ртутного столба в трубке, Торричелли обнаружил, что эта высота меняется, т. е. атмосферное давление непостоянно, оно может увеличиваться и уменьшаться. Торричелли заметил также, что изменения атмосферного давления связаны с изменением погоды.

Если к трубке с ртутью, использовавшейся в опыте Торричелли, прикрепить вертикальную шкалу, то получится простейший прибор — ртутный барометр (от греч. барос – тяжесть, метрео – измеряю). Он служит для измерения атмосферного давления.

4. Барометр-анероид.

В практике для измерения атмосферного давления используют металлический барометр, называемый анероидом (в переводе с греческого – безжидкостный. Так барометр называют потому, что он не содержит ртути).

Внешний вид анероида изображен на рисунке. Главная часть его — металлическая коробочка 1 с волнистой (гофрированной) поверхностью. Из этой коробочки выкачан воздух, а чтобы атмосферное давление не раздавило коробочку, ее крышку пружиной 2 оттягивают вверх. При увеличении атмосферного давления крышка прогибается вниз и натягивает пружину. При уменьшении давления пружина выпрямляет крышку. К пружине с помощью передаточного механизма 3 прикреплена стрелка-указатель 4, которая передвигается вправо или влево при изменении давления. Под стрелкой укреплена шкала, деления которой нанесены по показаниям ртутного барометра. Так, число 750, против которого стоит стрелка анероида , показывает, что в данный момент в ртутном барометре высота ртутного столба 750 мм.

Следовательно, атмосферное давление равно 750 мм рт. ст., или ≈ 1000 гПа.

Знание атмосферного давления весьма важно для предсказывания погоды на ближайшие дни, так как изменение атмосферного давления связано с изменением погоды. Барометр — необходимый прибор при метеорологических наблюдениях.

5. Решение задач

(Задачи взяты из задачника «Сборник задач по физике» авторы: В. И. Лукашик, Е. В. Иванова. )

Ответы:

Задача:

6. Закрепление.

Ученики пишут мини тест по пройденным материалам на тему «Атмосферное давление».

1. Воздушная оболочка Земли (Атмосфера)

2. Прибор для измерения атмосферного давления (Барометр)

3. Фамилия известного учёного, который был учителем Е. Торричелли. (Галилей)

4. Безжидкостный барометр (Анероид)

5. Единица измерения давления (Паскаль)

6. Учёный, который создал первый прибор для измерения атмосферного давления (Торричелли)

7. Отношение силы давления к площади; (давление)

8. Как можно определить массу воздуха? (формула)

9. Чему равен вес воздуха при температуре 0 градусов и объёмом 1м3?

10. Почему молекулы газов, входящие в состав атмосферы, не падают на Землю под действием силы тяжести?

11. Какая скорость потребовалась бы для молекул входящих в состав атмосферы чтобы покинуть Землю?

12. На какие слои делится атмосфера?

13. Газовая оболочка, окружающая Землю. ( атмосфера)

Система оценки теста

Количество правильных ответов

Оценка

1-4

2

5-7

3

8-10

4

11-13

5

7. Домашняя работа

§ 42,43, (решить задачи), задание 11, упражнение 20 (письменно)