Урок № 45 Атмосферний тиск. Вимірювання атмосферного тиску. Барометри

Тема уроку:  Атмосферний тиск. Вимірювання атмосферного тиску. Барометри

Мета уроку:  сформувати знання про атмосферний тиск, про способи вимірювання атмосферного тис­ку, одиниці тиску, прилади для вимірювання ат­мосферного тиску, залежність атмосферного тиску від висоти; розвивати  експериментальні вміння  учнів, інтерес  до вивчення  фізики; вчити  творчо  мислити, швидко і правильно  орієнтуватись  у  нестандартній  ситуації, формувати  навички  колективної  праці,  вміння  відповідально і зосереджено  працювати.  Виховувати  наполегливість, організованість, активність, вміння спілкуватись, почуття  дружби, взаємодопомоги.                

Базові фізичні поняття: атмосферний тиск, барометр-анероїд, ртутний барометр.

Демонстрації: Підйом води в трубці за поршнем. Досвід з магдебурзькими півкулями.

Дія піпетки.  Дія барометра-анероїда

Обладнання: таблиця «Рідинний барометр», барометри, лійка, папір, шприц, широка посудина з водою, «чорна скринька».

Тип уроку: засвоєння нових знань.

,, Розум – це  не  тільки  знання, а й уміння

 застосовувати  ці  знання  на  ділі’’

Хід уроку :

      I.      Організаційний момент

   II.      Актуалізація опорних знань

Вправа «Логікон»

Знайди слово з 4 букв, що є закінченням даних слів та одиницею вимірювання фізичної величини: Пери... Діа... Мано... Ампер... Баро...

Відповідь: метр.

Інтерактивна вправа «Пошта»

Кожному учню пропонується визначати свою «адресу» в класній кімнаті. Ряд парт – «вулиця», самі парти або столи – «будинки». Учні на арку­шах записують запитання з вивченої теми, пишуть адресу однокласника, свою зворотну адресу, а лис­тоноша передає записку адресату. Адресати пови­нні письмово відповісти на запитання. За командою вчителя гра зупиняється й учитель з учнями оціню­ють кілька «листів». Найвищу оцінку одержують ті, хто поставив цікаве запитання й отримав на нього правильну відповідь.

III.      Мотивація навчальної діяльності

Учитель виносить доволі велику коробку, за­фарбовану в чорний колір, і пропонує учням відга­дати, що знаходиться в ній.

Після першої підказки-інформації на обмірко­вування відводиться до 30 с. Якщо правильної від­повіді немає, то вчитель озвучує другу підказку-інформацію тощо.

Підказка 1. Один із його зразків називався іме­нем винахідника Луєра.

Підказка 2. Одним із його складових є циліндр.

Підказка 3. На циліндрі є позначки в одиницях об'єму.

Підказка 4. Він має поршень.

Підказка 5. У нижній частині циліндра кріпить­ся металева голка з отвором.

Підказка 6. Застосовується в медицині.

Відповідь: шприц.

Хто може пояснити, чому рідина підіймаєть­ся за поршнем у циліндр шприца? Хто її туди штовхає?

За часів Галілея один майстер побудував для садів герцога Тосканського у Флоренції всмоктувальний насос, поршень якого мав піднімати воду на висоту, більшу за 18 італійських ліктів (більшу, ніж 10 м). Але, як не намагалися підняти цим насо­сом воду, нічого не виходило. На 10 м вода за порш­нем ще піднімалася, а далі поршень відходив від води, й утворювалася порожнеча. Коли до Галілея звернулися з проханням пояснити причини невда­чі, він відповів, що природа не любить порожнечі, але до певної межі. Втім, зайнятися вивченням цієї проблеми Галілею не судилося. Після смерті видат­ного ученого дослідженнями у цій галузі зайнявся Еванжеліста Торрічеллі (1608–1647), італійський фізик і математик.

Чому не можна було підняти воду на висоту більшу ніж 10 м?

На ці та інші запитання ви зможете дати відпо­віді на сьогоднішньому уроці.

IV.      Вивчення нового матеріалу

Атмосфера

Як відомо, повітря оточує всю Землю у вигляді кулястого шару, тому повітряну оболонку Землі називають атмосферою (грецьк. «атмос» — пара, повітря; «сфера» — куля). Як і всяке інше тіло, що має масу, атмосфера притягується до Землі. Діючи на тіла своєю вагою, вона створює тиск, що називається атмосферним тиском. Відповідно до закону Паскаля, воно проникає у будинки, печери, шахти й діє на всі тіла, що стикаються з атмосферним повітрям. Космічні польоти показали, що атмосфера піднімається над поверхнею Землі на кілька сотень кілометрів, стаючи дедалі більш розрідженою (менш густою). Поступово вона переходить у порожній космічний простір — вакуум, де тиск практично дорівнює нулю.

2. Переконуємося в існуванні атмосферного тиску й спостерігаємо його дію

Існуванням атмосферного тиску пояснюється ціла безліч явищ.

Розглянемо одне з них — підняття рідини за поршнем. Звернемося до рисунка.

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.

Саме таким способом і набирають рідину в шприц. За цим же принципом працюють і всмоктувальні насоси, що піднімають воду з колодязів.

До якої ж висоти можна підняти воду поршнем? Виявляється, що підняти воду за допомогою поршня більш ніж на 10 метрів не можливо. Розгадку знайшов Торрічеллі: він зрозумів, що стовп води висотою 10 м створює тиск, рівний тиску атмосфери. Ось чому атмосферний тиск не може підняти воду більше, ніж на 10 метрів.

3. Дослід Торрічеллі

При виконанні багатьох наукових і технічних розрахунків необхідно знати числове значення атмосферного тиску. Розрахувати ж атмосферний тиск за формулою не можна, тому що, по-перше, густина повітря різна на різній висоті. По-друге, висоту атмосфери точно встановити не можна, тому що вона переходить у космічний простір поступово й лише приблизно вважається рівною 100 км. Тому атмосферний тиск вимірюють експериментально.

На питання «Як виміряти атмосферний тиск?» знайшов відповідь італійський фізик і математик Е. Торрічеллі. За його пропозицією в 1643 році був проведений такий дослід.

Скляну трубку довжиною близько метра, запаяну з одного кінця, наповнюють доверху ртуттю. Потім, щільно закривши отвір пальцем, трубку перевертають й опускають у чашу із ртуттю. Після цього палець забирають. Ртуть із трубки починає виливатися, але не вся! Залишається «стовп» ртуті приблизно 76 см висотою, рахуючи від її рівня в чаші. Ця висота не залежить ні від довжини трубки, ні від глибини її занурення.

Пояснимо цей дослід. Подивіться на нижній рисунок. Світлими кольорами ми позначили невеликий шар ртуті усередині трубки біля її отвору. Вага шарів, що розміщені вище, діє вниз, штовхаючи «світлий» шар у чашу. Причина цього — сила тяжіння. А ртуть у чаші тисне на «світлий» шар нагору, штовхаючи його назад у трубку. Причина виникнення цієї сили — атмосферний тиск, що діє на поверхню ртуті в чаші. Відповідно до закону Паскаля воно поширюється через ртуть навіть усередину трубки. Оскільки ртуть перебуває в стані спокою, то названі сили врівноважують одна одну.

Таким чином, тиск, створюваний стовпом ртуті в трубці, дорівнює атмосферному тиску. Тому стовп ртуті перебуває у спокої.

За допомогою досліду Торрічеллі вдалося не тільки підтвердити існування атмосферного тиску, але й виміряти його. У досліді Торрічеллі висота стовпчика ртуті становила 760 мм. Це послужило підставою для твердження, що нормальний атмосферний тиск дорівнює тиску стовпчика ртуті висотою 760 мм. Тиск цього стовпчика дорівнює:

.

Тиск 1 мм рт. ст = 133,3 Па. Спостерігаючи щодня за висотою ртутного стовпа в трубці, Торрічеллі виявив, що ця висота змінюється, тобто атмосферний тиск може збільшуватися й зменшуватися.

4. Зміна атмосферного тиску з висотою

Швидкості руху молекул, що входять до складу повітря, неоднакові.

У певної частини молекул швидкість набагато вище, ніж у переважної більшості. За рахунок цього вони можуть підніматися над Землею на значну висоту. Відносна кількість таких молекул з висотою зменшується. Відповідно зменшується й створюваний ними тиск.

Атмосферний тиск зменшується при збільшенні висоти над поверхнею Землі. Залежність атмосферного тиску від висоти над поверхнею Землі вперше виявив Блез Паскаль.

 Група його учнів піднялася на гору То-де-Дом (Франція) і виявила, що на вершині гори стовп ртуті на 7,5 см коротше, ніж біля її підніжжя.

Експериментально встановлено, що біля поверхні Землі при невеликих змінах висоти (у кілька сотень метрів) тиск змінюється на 1 мм рт. ст. кожні 11 м висоти.

Коли висота змінюється на десятки або сотні метрів, густину повітря приблизно можна вважати постійною. При підйомі на висоту h тиск повітря зменшується на , де ρ — густина повітря. На рівні моря вона приблизно дорівнює 1,3 кг/м³, що приблизно в 10 000 разів менше за густину ртуті. Отже, зменшенню тиску на 1 мм ртутного стовпа відповідає підйом на висоту, в 10 000 разів більшу за 1 мм, тобто приблизно на 11 м (висота триповерхового будинку).

Для більших висот — наприклад, висот гір — потрібно враховувати, що зі збільшенням висоти зменшується густина повітря, внаслідок чого тиск зі збільшенням висоти зменшується повільніше.

Скажімо, при підніманні з рівня моря на 2 км тиск зменшується приблизно на 20 кПа, а при підніманні з 8 км до 10 км тиск зменшується тільки на 9 кПа.

На верхніх поверхах багатоповерхового будинку тиск повітря на кілька міліметрів ртутного стовпа менше, ніж на нижніх поверхах, — це можна помітити за допомогою звичайного барометра анероїда.

5. Вивчаємо конструкцію барометра-анероїда

Трубка Торрічеллі з лінійкою є найпростішим барометром — приладом для вимірювання атмосферного тиску.

Виміри атмосферного тиску показують, що він у місцевостях, які лежать на рівні Світового океану, у середньому дорівнює близько 760 мм рт. ст. Такий тиск при температурі ртуті 0 °С називається нормальним атмосферним тиском.

Ртутний барометр — досить чутливий і точний прилад. Однак використання його супроводжується великими труднощами. Його незручно перевозити через велику масу. Крім того, ртуть екологічно небезпечна. Тому в практиці для вимірювання атмосферного тиску використовують металеві барометри-анероїди (у перекладі із грецької — безрідинні).

Головна частина барометра-анероїда — легка, пружна, порожня усередині металева коробочка 2 з гофрованою (хвилястою) поверхнею. Повітря з коробочки відкачано. Її стінки розтягує пружна металева пластина 5. До неї за допомогою спеціального механізму прикріплена стрілка 6, що насаджена на вісь 7. Кінець стрілки пересувається по шкалі 4, розміченій у мм рт. ст. Всі деталі барометра поміщені усередину корпуса 1, закритого спереду склом 3.

Відповідно до формули , зміна атмосферного тиску призводитиме до зміни сили, що вдавлює стінки усередину коробочки. Отже, буде змінюватися й величина їх прогину. Рух стінок коробочки, що виникає, за допомогою механізму передасться стрілці й зумовить її зрушення до іншої поділки шкали.

Спостерігаючи за барометром, ви легко виявите, що його показання міняються при зміні погоди. Перед негодою атмосферний тиск падає, а перед ясною погодою — зростає. Крім того, показання барометра залежать від висоти місця спостереження над рівнем моря. Чим вище ми будемо підніматися, тим меншим ставатиме атмосферний тиск.

   V.      Узагальнення знань

1. Учитель демонструє досліди, а учні пояс­нюють:

•    Лійку широким отвором кладемо на аркуш паперу, щільно притискаючи її до паперу і, від­смоктуючи з лійки повітря, піднімаємо її. Аркуш паперу, щільно притиснутий до лійки, піднімається разом з нею. Варто відкрити отвір у лійці, як аркуш паперу відпадає. Як ви можете це пояснити?

•    Опускаючи поршень, витискають зі шприца повітря. Після цього його кінець занурюють у воду, піднімають поршень і спостерігають, як за ним піднімається вода. Чи не «тягне» поршень зверху воду? Внаслідок чого піднімається вода?

2. Виконайте завдання

•    Подайте в кілопаскалях тиск 380 мм рт. ст.

•    Подайте в міліметрах ртутного стовпчика такі тиски: 10 кПа, 50 кПа.

•    Визначте глибину шахти, якщо на її дні барометр показує 82,4 см рт. ст., а на поверхні Землі – 78 см рт. ст.

•    Барометр показує 765 мм рт. ст. З якою си­лою повітря тисне на віконне скло, що має розмір 1 х 0,5 м? Яким чином воно витримує такий тиск?

VI.      Підсумки уроку

Вправа «Журналіст»

Зачитування кількох розповідей.

VII.      Домашнє завдання

Підготувати доповіді: «Атмосфера Землі, її будова, склад та екологічне значення», «Дослід  з магдебурзькими півкулями», «Природні баромет­ри»

  Завантажити конспект Урок № 45 Атмосферний тиск. Вимірювання атмосферного тиску. Барометри

Буду радий бачити Ваші побажання та запитання в коментарях.