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.