Підручник Фізика 7 клас - Пістун П. Ф. - Навчальна книга - Богдан 2015 рік

Розділ ІІІ ВЗАЄМОДІЯ ТІЛ. СИЛА

§37. Атмосферний тиск

✓ Як ви думаєте, чи має масу повітря і чи чинить воно тиск?

1. Ви добре знаєте, що планета Земля оточена газовою оболонкою — атмосферою. До складу атмосфери входять такі гази, як азот, кисень, вуглекислий газ, аргон, водень та ін. Повітря, як і інші гази, має масу. Це можна показати на досліді.

Візьмемо скляну колбу, щільно закриємо її корком зі вставленою в нього гумовою трубкою із затискачем. Викачаємо насосом з колби повітря, перекриємо затискачем трубку і зрівноважимо колбу на терезах (рис. 109). Потім відкриємо затискач на гумовій трубці і побачимо, що рівновага терезів порушиться. Це означає, що колба стала важчою, коли в неї впустили повітря.

Рис. 109

Рис. 110

Оскільки повітря має масу, то на нього діє сила тяжіння, внаслідок чого вона створює тиск на поверхню Землі і на всі тіла, що знаходяться на ній.

Атмосферним тиском називають тиск повітряної оболонки Землі на її поверхню і на всі тіла, що знаходяться на ній.

В існуванні атмосферного тиску легко переконатися на досліді. Опустимо у воду кінець скляної трубки з поршнем, який щільно прилягає до її внутрішньої поверхні (рис. 110). Якщо далі поршень піднімати вгору, то вода буде підніматися по трубці услід за ним.

Це відбувається тому, що при підніманні поршня між ним і поверхнею води створюється розріджений простір. На вільну поверхню води в посудині діє атмосферний тиск, який згідно із законом Паскаля передається без змін в усіх напрямах, у тому числі і в напрямі трубки. Таким чином, атмосферний тиск і змушує воду підніматися услід за поршнем.

Виникає запитання: як розрахувати величину атмосферного тиску? Очевидно, що використовувати формулу, за якою ми раніше розраховували тиск стовпа рідини, тут не можна, оскільки для цього потрібно знати висоту атмосфери і густину її повітря. Але, як вам відомо, певної чіткої межі атмосфери не існує, а густина повітря з висотою зменшується. Вважається, що атмосфера сягає висоти кілька тисяч кілометрів, плавно переходячи у дуже розріджене міжпланетне середовище. Тому розрахувати атмосферний тиск дуже складно, але його можна виміряти.

Уперше атмосферний тиск виміряв італійський учений Еванжеліста Торрічеллі (16081647). Його дослід полягав у наступному. Скляну трубку завдовжки біля 1 м, запаяну з одного кінця, вщерть заповнювали ртуттю. Закривши відкритий кінець трубки, її перевертали і вертикальноопускали в посудину із ртуттю (рис. 111). Потім цей кінець трубки відкривали. Частина ртуті виливалася з трубки в посудину, а більша частина залишалася в трубці. Висота стовпа ртуті, що залишалася в трубці, виявилася рівною біля 760 мм.

Еванжеліста Торрічеллі

Пояснити цей дослід можна так. Атмосферний тиск діє на ртуть у посудині і передається нею в усіх напрямах. На рівні ОО' цей тиск діє на ртуть у трубці знизу вгору і зрівноважує тиск стовпа ртуті в трубці. У трубці над ртуттю повітря немає, там безповітряний простір, або, як його називали у XVII ст., торрічеллієва пустота. Якщо точно, то над ртуттю у трубці знаходиться пара ртуті, але її тиск надзвичайно низький і ним зазвичай нехтують.

Рис. 111

Отже, атмосферний тиск дорівнює тиску, який чинить стовп ртуті на рівні ОО' заввишки 760 мм. Цей тиск називають нормальним атмосферним тиском.

Якщо атмосферний тиск унаслідок зміни погодних умов підвищується, то висота стовпа ртуті в трубці стає більшою за 760 мм, якщо він зменшується, то стовп ртуті опускається нижче.

Нормальний атмосферний тиск можна розрахувати за формулою обчислення тиску стовпа рідини заввишки h: p = pgh. Оскільки р = 13,6 ∙ 103 кг/м3, а висота стовпа ртуті h = 0,76 м, то

p = 13,6 ∙ 103 кг/м3 ∙ 9,8 м/с2 ∙ 0,76 м = 101300 Па ≈ 1,01 ∙ 105 Па.

Атмосферний тиск часто виражають не в паскалях, а в міліметрах ртутного стовпа (мм рт. ст.).

1 мм рт. ст. — це тиск, який чинить стовп ртуті заввишки 1 мм. Щоб виразити цей тиск у паскалях, потрібно у формулу p = pgh підставити h = 0,001 м.

p = 13,6 ∙ 103кг/м3 ∙ 9,8 м/с2 ∙ 0,001 м = 133,3 Па.

Отже, 1 мм рт. ст. = 133,3 Па. Нормальний атмосферний тиск становить 760 мм рт. ст. = 101300 Па ≈ 1,01 ∙ 105 Па.

Якщо до трубки, що використовувалася у досліді Торрічеллі, прикріпити вертикальну шкалу і проградуювати її в міліметрах, то вийде прилад для вимірювання тиску — ртутний барометр.

За допомогою ртутного барометра можна досить точно виміряти атмосферний тиск, але він має деякі суттєві недоліки: пара ртуті досить токсична, барометр незручний у транспортуванні — можна розбити трубку, розлити ртуть тощо. А тому в побуті і техніці для вимірювання атмосферного тиску використовується зручний у користуванні металевий барометр — анероїд (у перекладі з грецької — «безрідинний»). Його зовнішній вигляд зображено на рис. 112, а).

Барометр-анероїд являє собою металеву геометрично закриту коробочку 1, з якої викачане повітря (рис. 112, б). Щоб її не роздушив атмосферний тиск, поверхню коробочки роблять хвилястою. До неї приєднують сталеву пружину 2, що має форму пластини.

Рис. 112

Один кінець цієї пружини з’єднаний зі стрілкою 3 за допомогою спеціального пристрою 4, який забезпечує переміщення стрілки відносно шкали 5. За збільшення атмосферного тиску кінці пружини зближуються, і стрілка повертається, а її кінець зміщується вправо по шкалі. За зменшення атмосферного тиску кінці пружини віддаляються один від одного, і кінець стрілки переміщається вліво по шкалі. Шкала проградуйована у мм рт. ст. і в гПа.

Атмосферний тиск залежить від висоти над рівнем моря. Це пояснюється тим, що повітря добре стискуване, так само, як і всі гази. Верхні шари повітря діють на нижні і стискають їх. Відповідно густина повітря і тиск біля поверхні Землі більші, ніж на певній висоті над нею.

Так, у місцевості, що лежить на рівні моря, тиск становить біля 760 мм рт. ст., тобто дорівнює нормальному атмосферному тиску. У горах він менший. Вимірювання показують, що до висоти 2000 м на кожні 12 м підйому атмосферний тиск зменшується приблизно на 1 мм рт. ст. З подальшим збільшенням висоти атмосферний тиск зменшується повільніше. Так, на висоті 8000 м він складає 267,4 мм рт. ст., а на висоті 50 км — 0,6 мм рт. ст.

На тіло людини діє сила тиску атмосфери приблизно 160 кН. Таке навантаження людина може витримати тому, що воно зрівноважується тиском рідин, які заповнюють клітини і судини тіла. Але захисні властивості організму людини, що розвинулися в процесі її еволюції, не безмежні. При значній зміні тиску порушується життєдіяльність організму, змінюється швидкість хімічних реакцій у ньому.

Особливо небезпечним є значне і різке зменшення тиску: починається інтенсивне виділення газів, розчинених у крові, і вона ніби закипає. Тому водолази повинні повільно спливати з глибини, щоб газ виділявся тільки з легень.

Живі організми не тільки пристосувалися до атмосферного тиску та його змін, але й до тиску води. Так, у найглибших місцях Світового океану виявлені організми, які живуть при тиску, що приблизно у тисячі разів перевищує нормальний атмосферний тиск.

Запитання для самоперевірки

1. Що називають атмосферним тиском? Чому він існує?

2. Наведіть приклади дослідів, що підтверджують існування атмосферного тиску.

3. Чи можна розрахувати атмосферний тиск так само, як тиск стовпа рідини? Чому?

4. Яка мета досліду Торрічеллі? Як він проводився?

5. Чому не виливається повністю ртуть з трубки у досліді Торрічеллі?

6. Якими приладами вимірюють атмосферний тиск? Яка їх будова і принцип дії?

7. Які існують одиниці вимірювання атмосферного тиску? Який зв’язок між ними?

8. Як і чому змінюється атмосферний тиск зі зміною висоти над рівнем моря?

9. Чому підйом водолазів з великої глибини повинен відбуватися повільно?

Завдання 27

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

2. Чому молекули газів, що входять до складу повітря, не залишають Землю? Візьміть до уваги, що для того, щоб залишити Землю, молекула повинна мати швидкість 11,2 км/с.

3. Фонтан можна сконструювати таким способом: узяти трубку, запаяну з одного боку. З іншого боку закрити її корком, в який вставлена трубка з краном. Якщо з трубки викачати повітря, а потім помістити її у посудину з водою (рис. 113) і відкрити кран, в трубці утвориться фонтан.

Поясніть дію фонтана.

Рис. 113

4. Поясніть, як діють піпетка і шприц. Проробіть з ними досліди.

5. Який барометр дає точніші покази: ртутний чи анероїд? Чому?

6. Повітряну кульку зав’язали і поклали під ковпак повітряного насоса, з-під якого почали викачувати повітря. Що буде відбуватися з кулькою? Чому?

7. Чи можна в досліді Торрічеллі замінити ртуть водою? Якої довжини трубку потрібно було б узяти в цьому випадку?

8. Виразіть у паскалях артеріальний тиск крові, верхня межа якого становить 120 мм рт. ст., а нижня — 80 мм рт. ст.

9. Барометр показує у класі атмосферний тиск 740 мм рт. ст., а в цей самий час біля річки — 760 мм рт. ст. На якій висоті відносно річки знаходиться школа?

10. Обчисліть, яка приблизно сила діє на людину з боку повітря, якщо атмосферний тиск становить 740 мм рт. ст. Площу поверхні тіла людини візьміть рівною 1,5 м2.

11. Аквалангіст під час занурення у море досягнув глибини 20 м. Визначте, якого тиску він зазнав? Атмосферний тиск нормальний.

12. Проробіть наступний дослід. Візьміть склянку, вщерть заповніть її водою і зверху накрийте аркушем цупкого паперу. Притримуючи папір долонею, переверніть склянку вгору дном і відпустіть папір. Чому папір не відпадає від склянки? Чому, якщо папір проколоти, він відпаде від склянки і вся вода виллється?





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити