Підручник Фізика 7 клас - Пшенічка П.Ф. - 2015 рік

Розділ ІІІ Взаємодія тіл. Сила

§ 28. АТМОСФЕРНИЙ ТИСК. ДОСЛІД ТОРРІЧЕЛЛІ

Атмосфера

Ми знаходимося на дні повітряного океану, який називається атмосферою (мал. 28.1), і над нами - приблизно стокілометровий шар повітря. Стовп повітря створює тиск завдяки тому, що повітря притягається до Землі. Для розрахунку цього тиску формулу р = р ∙ g ∙ h можна застосувати тільки наближено для не надто великих h, оскільки повітря легко стискається.

Існує просте наближене правило: біля поверхні Землі тиск зменшується на 1 мм рт. ст. при підніманні вгору на кожні 12        метрів.

Ми не помічаємо тиску атмосфери тільки тому, що повітря всередині наших легень має такий самий тиск, отож сили тиску ззовні та зсередини врівноважують одна одну.

Зовсім інша справа, коли ви пірнули глибоко у воду. Тиск води настільки великий, що вашу грудну клітку здавить сила, яка не дасть вам вдихнути, навіть якщо у вас є акваланг. Тому аквалангіст дихає стисненим повітрям, тиск якого треба регулювати так, щоб він дорівнював зовнішньому тискові води на тіло (мал. 28.2).

Мал. 28.1. Повітряна оболонка Землі - атмосфера

Мал. 28.2. Аквалангіст дихає стиснутим повітрям

Дослід 28.1

Візьміть порожню упаковку від соку і ротом “відкачайте” з неї повітря (мал. 28.3). У певний момент вона “зімнеться”. Тиск усередині зменшився, отож зовнішній атмосферний тиск деформує не дуже міцний картон.

Мал. 28.3. Сила атмосферного тиску зминає коробку.

Дослід Торрічеллі

Повітря здається невагомим і тому дослід італійського фізика і математика Еванджеліста Торрічеллі (учня Галілея) вразив сучасників. Він заповнив запаяну з одного кінця скляну трубку довжиною близько метра ртуттю. Потім закрив отвір пальцем і, перевернувши трубку, помістив відкритий кінець на невелику глибину в чашку із ртуттю, притримуючи трубку у вертикальному положенні. Після того, як він відкрив отвір, частина ртуті вилилась, але стовп ртуті висотою приблизно 76 см все одно залишився в трубці (мал. 28.4).

Мал. 28.4.

У просторі над стовпчиком ртуті нічого не залишилося, там був вакуум або, як це тоді називали, торрічеллієва пустота. Торрічеллі здогадався, що стовп ртуті утримується силою тиску атмосфери. Отже, стовп ртуті висотою 76 см зрівноважує, ніби на шальці терезів, вагу стовпа повітря висотою в сто кілометрів.

Дослід 28.2

Наберіть повну скляну пляшку води. Закрийте отвір пальцем, переверніть пляшку і занурте горловину в чашку з водою, притримуючи пляшку іншою рукою. Потім палець заберіть. Вода не виливається зовсім, хоча ви точно повторили дослід Торрічеллі.

Порівняйте густини води та ртуті і спробуйте оцінити, якої довжини повинна бути трубка, щоб дослід Торрічеллі можна було повторити з водою.

Дослід 28.3

Занурте скляну трубку частково у воду і закрийте верхній отвір пальцем. Потім вийміть трубку з води (мал. 28.5). Чому вода не виливається із трубки? Порівняйте тиск повітря в трубці з атмосферним тиском. Відпустіть палець. Чому тепер вода виливається?

Мал. 28.5. До досліду 29.3.

Магдебурзькі півкулі

Щоб продемонструвати землякам силу атмосферного тиску, бургомістр міста Магдебург Отто фон Геріке провів ефектний дослід (мал. 28.6). Це було в 1654 році в присутності імператора Фердинанда III. На замовлення Геріке були виготовлені дві добре припасованих одна до одної мідних півкулі, з яких можна було скласти герметичну кулю діаметром 14 дюймів (35,5 см). В одній із півкуль була трубка для відкачування повітря, а кожна з півкуль мала на вершині міцне кільце. Півкулі сумістили і викачали повітря із кулі, яка при цьому утворилася. Для цього використали вакуумний повітряний насос, винайдений тим самим Геріке. Тиск атмосфери настільки сильно стиснув півкулі, що дві упряжки по вісім коней у кожній не змогли їх розірвати!

Мал. 28.6. Дослід з магдебурзькими півкулями.

Ртутний барометр

Прикріпивши поряд з трубкою лінійку (мал. 28.7), Торрічеллі помітив, що рівень ртуті щоденно змінюється. Отже, змінюється тиск атмосфери. Фактично, Торрічеллі виготовив перший прилад для вимірювання атмосферного тиску - ртутний барометр. Сьогодні прогноз погоди не обходиться без повідомлення про величину атмосферного тиску, значне зменшення якого може бути передвісником сильного вітру чи навіть урагану. Паскаль повторив дослід Торрічеллі і встановив, що атмосферний тиск зменшується із висотою. Поблизу свого будинку він змонтував водяний барометр із трубою, висота якої сягала майже 11 м. Вода була підфарбована червоним вином задля зручності спостережень за зміною рівня.

Оскільки пара ртуті отруйна, ртутний барометр потребує особливо обережного поводження з ним; крім того, він громіздкий. Тому барометрТоррічеллі використовується тільки в лабораторіях. Величину атмосферного тиску традиційно вимірюють в міліметрах ртутного стовпа (мм. рт. ст). Тиск атмосфери, при якому висота стовпчика ртуті в барометрі становить 760 мм, прийнято називати нормальним, пишуть: р0 = 760 мм. рт. ст (або 760 мм.

Hg). Щоб вияснити, скільки «паскаль» становить нормальний атмосферний тиск, потрібно скористатися формулою гідростатичного тиску (27.2), підставивши туди густину ртуті та висоту ртутного стовпчика, виражену в метрах:

р = р ∙ g ∙ h = 13600 кг/м3 ∙,8 м/с2 ∙ 0,76 м ≈ 100 000 Н/м2 = 100 000 Па

Мал. 28.7.

Барометр-анероїд

У побуті переважно користуються барометром-анероїдом (“анероїд” - означає “безрідинний”). Цілком можливо, що він є і у вас вдома (мал. 28.8). Чутливим елементом у цьому барометрі є металева герметична коробочка, в якій тиск повітря дещо менший від атмосферного. Одна стінка кріпиться до корпусу, а інша через систему важелів і зубчастих коліс рухає стрілку приладу.

Чутливість анероїда досить велика - стрілка помітно зміщується, якщо його підняти чи опустити на кілька метрів. Можна проградуювати шкалу анероїда безпосередньо в одиницях висоти і отримаємо висотомір - альтиметр. Такими приладами користуються пілоти та альпіністи.

Якщо до стрілки барометра прикріпити перо, яке торкається поверхні барабана, що обертається і на який натягнуто спеціальний папір у клітинку, то отримаємо барограф (мал. 28.9). Барабан обертається за допомогою годинникового механізму і робить один оберт за добу. Прилад дозволяє одержати графік зміни тиску з часом.

Мал. 28.8. Барометр-анероїд. Принцип дії.

Мал. 28.9. Барограф.

Приклад 28.1

Обчисліть тиск стовпчика ртуті висотою 1 мм (тобто 0,001 м). Прийміть g = 10 H /кг .

Розв’язання: Згідно формули р = р ∙ g ∙ h,

р = 1000  ∙ 10  ∙ 0,001м ≈ 133 .

Відповідь: тиск стовпчика ртуті висотою 1 мм приблизно дорівнює 133 Па.

Приклад 28.2

Стовпчик ртутного барометра встановився на висоті Н над рівнем ртуті в чашці (мал. 28.10). Який тиск в ртуті в точці А, що знаходиться на висотіh над рівнем ртуті в чашці?

Розв’язання: Очевидно, що тиск ртуті на рівні поверхні в чашці становить р ∙ g ∙ Н . По мірі піднімання вгору висота стовпа ртуті зменшується, а, значить, зменшується і тиск. В точці А тиск стане меншим за тиск внизу на р ∙ g ∙ h . Отже, тиск ртуті в точці А становить:

РA = pg ∙ Н – p ∙ g ∙ h = p ∙ g ∙ (H - h).

Відповідь: тиск ртуті в точці А становить: .

Мал. 28.10.

Тема для дослідження

28.1. Спробуйте пояснити, чому в рідинах і газах тиск передається в усіх напрямах, а в твердих тілах - ні.

Підведемо підсумки

• Стовпчик ртуті в барометрі Торрічеллі втримується силою атмосферного тиску.

• Стовп атмосфери висотою 100 км тисне так само, як стовп ртуті висотою 760 мм.

• Нормальний атмосферний тиск становить р0 = 760 мм. рт. ст., або приблизно 100 000 Па.

• Одна атмосфера (позасистемна одиниця вимірювання тиску, як і мм. рт. ст.): 1 атм = 101 325 Па (точно).

Вправа 28

1. Чому зминається пластикова пляшка, якщо з неї відкачати повітря?

2. Чому мильна бульбашка має кулясту форму ?

3. У чому переваги барометра-анероїда порівняно з ртутним барометром?

4. Що спільного і чим відрізняються барометр та альтиметр?

5. Для чого служить барограф?

6. Чи можна повторити дослід Торрічеллі з трубкою, довжина якої: а) менша за 1 м;

б) більша за 1 м?

7. У яких випадках важливо знати величину атмосферного тиску або характер його зміни?

8. Чому в горах атмосферний тиск менший, ніж на рівні моря?

9. У ванній кімнаті часто прикріплюють до стіни різні предмети за допомогою пластикових присосок. За рахунок яких сил вони “прилипають” до поверхні?

10. Як можна за допомогою барометра виміряти висоту будинку?

11. Як зміниться атмосферний тиск при опусканні в глибоку шахту?

12. Чому при швидкому зниженні літака (чи автомобіля на гірській дорозі) виникають неприємні відчуття у вухах?

13. Чому в досліді 28 2. вода не виливається з пляшки?

14. Виразіть у Па тиск стовпчика: а) 10 см води; б) 1 см ртуті.

15. Біля підніжжя гори барометр показував 754 мм рт. ст., а на вершині - 724 мм рт. ст.

а) Яка висота гори? б) Чому результат розрахунку наближений?

16. Що станеться, якщо у трубці ртутного барометра зробити отвір: а) нижче рівня поверхні ртуті; б) вище рівня поверхні ртуті?

17. Яку вагу ви повинні зрівноважити, утримуючи рукою пляшку в досліді 29.2.: самої пляшки чи пляшки разом із водою, що знаходиться в ній?

18. а) Розрахуйте висоту стовпа води у водяному барометрі, що його змайстрував Паскаль, при нормальному атмосферному тиску, б) Якої довжини трубу треба взяти для такого барометра?

19. Виразіть в Па одиницю вимірювання тиску «1 мм водяного стовпа».

20. Чому пляшка сильногазованої води така «тверда»?

21. Чому піняться «шипучі» напої, якщо різко відкоркувати пляшку?

22. На поршень площею 6 см2 діє газ, що перебуває під тиском 10 атм. Яка сила діє на поршень?

23. Розрахуйте приблизне значення тиску в озері на глибині 10 м. g =10 Н / кг . (Підказка: відповідь 100 000 Па неправильна).

24. Оцініть масу земної атмосфери, вважаючи відомими нормальний атмосферний тиск і радіус Землі. Площа поверхні кулі обчислюється за формулою s = 4 R2, радіус Землі становить 6 400 км.

25. Через який час після початку роботи компресорної станції зросте тиск у трубі газопроводу в місці, що знаходиться на віддалі 660 км від станції? Швидкість звуку в газі 330 м/с.

26. Виберіть найбільше значення тиску: 1) 750 мм рт.ст.; 2) 1атм; 3) 1 ∙ 105 Па.

27. Площа стелі в кімнаті 20 м2. Яка сила тиску і в якому напрямку діє на стелю, якщо тиск повітря 100 000 Па ?

28. В U-подібній скляній трубці, запаяній з правого боку, знаходиться ртуть (р). Визначте тиск повітря р в правій частині трубки (мал. 28.11). р0 - атмосферний тиск.

29. У відкритій з одного кінця тонкій трубці знаходяться повітря, яке закрите стовпчиком ртуті довжиною h = 4 см (мал. 28.12).

Атмосферний тиск р0 = 760 мм рт. ст. Який тиск р (в мм. рт. ст), у випадку, коли а) трубка горизонтальна, б) трубка розташована вертикально, відкритим кінцем догори, в) трубка розташована вертикально, відкритим кінцем донизу?

Мал. 28.11.

Мал. 28.12.

Отто фон Геріке (1602-1686). Народився в м. Магдебург. Німецький фізик, інженер і політичний діяч.

Вивчав природничі науки в університеті міста Лейпцигу, право в університеті міста Йена, математику та менханіку в м. Лейден. З 1631 року служив інженером в армії шведського короля Густава ІІ. З 1646 по 1681 рік обирався бургомістром міста Магдебург та членом магістрату міста Бранденбург.

У 1650 році Отто Геріке сконструював вакуумний насос. Досліди з вакуумом вразили сучасників, оскільки в ті часи вчені стверджу вали, що пустого місця в просторі в принципі не може існувати. Він виявив, що світло поширюється і в пустоті, а звук - ні. Дзвоник у вакуумі не дзвонив, тварини гинули, свічка гасла, риба роздувалась. Вияснилося, що кисень необхідний для дихання та горіння.

Коли Геріке відкачав насосом повітря із бляшаної коробки, вона була зім’ята атмосферним тиском. Геріке організував показ знаменитого досліду з «Магдебурзькими півкулями», демонстручи співвітчизникам тиск атмосфери, у який тоді також ніхто не вірив.

Отто фон Геріке винайшов електростатичну машину і вияснив, що сірка світиться при сильній електризації, тобто відкрив явище люмінесценції.

Геріке також вивчав астрономію і висловив гіпотезу, що комети прилітають до нас з околиць Сонячної системи. Це припущення пізніше підтвердили астрономи-професіонали.





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