Измерение атмосферного давления. Опыт Торричелли - Давление твердых тел, жидкостей и газов

Цели урока: знакомство с примером определения атмосферного давления; раскрытие физического содержания опыта Торричелли.

Оборудование: таблица «Опыт Торричелли».

Демонстрации: опыт с Магдебургекими полушариями.

Ход урока

I. Проверка домашнего задания

При проверке домашнего задания можно вызвать двух учеников к доске для ответов на вопросы в конце § 40-41. Остальные ученики могут принимать участие в обсуждении, помогая при необходимости отвечать.

Кроме этого, можно задать две-три качественные задачи для общего обсуждения, например:

— Что произошло бы с земной атмосферой, если бы исчезла сила земного тяготения?

— Если бы сила земного притяжения увеличилась?

Объясните эксперимент. Выльем на блюдце немного чая и дадим ему охладится возьмите горячий стакан и опрокиньте его на блюдце. Спустя непродолжительное время весь чай из блюдца соберется под стаканом.

Объясните эксперимент. Возьмете воздушный шарик, налейте в него воды. Сверните листок гармошкой и подожгите. Когда бумага разгорится бросьте ее в бутылку стеклянную. Через 1 -2 с закройте горлышко бутыли воздушным шариком. Бумага перестанет гореть. Шарик начнет втягиваться в бутылку. Почему?

Объясните эксперимент. Возьмите металлическую банку из-под сока. Налейте немного воды и поставьте на электрическую плиту. Доведите воду до кипения и дайте возможность кипеть несколько минут. Чтобы водяные пары полностью вытеснили воздух. Осторожно снимите банку с плитки и закройте отверстие. Облейте банку холодной водой для быстрого охлаждения. При этом она сжимается и плющится. Почему?

II. Изучение нового материала

Начиная объяснение нового материала, необходимо заметить, что знание основных характеристик земной атмосферы очень важно.

В то же время, трудность измерения атмосферного давления заключается в том, что нельзя воспользоваться формулой: Р = ρgh, т. к. с изменением высоты меняются значение и плотности ρ и значение g. Как же быть?

Очень простой по содержанию опыт был поставлен Е. Торричелли.

Суть опыта такова: в стеклянную трубку длинной 1 м, которая была запаяна с одного конца, была налита ртуть. Затем, закрыв открытый конец трубки и перевернув, ее опустили в широкую чашу с ртутью. При этом из трубки часть ртути вылилась, и остался столбик высотой h ≈ 760 мм.

Рассмотрим, почему вся ртуть из трубки не вылилась. Сила притяжения ртути в трубке заставляет ее двигаться вниз, но снизу на ртуть в трубке действует по закону Паскаля сила атмосферного давления.

Тогда, когда давление столба ртути становится равным атмосферному давлению, столбик ртути перестанет перемещаться.

Если внимательно отмечать положения столбика ртути, моно заметить, что с течением времени оно меняется. Это указывает на то, что атмосферное давление может изменяться по ряду причин: из- за изменения температуры, смены направлений ветра и т. д.

Если к трубке прикрепить вертикальную шкалу, можно получить простейший прибор для измерения атмосферного давления - ртутный барометр.

Значение атмосферного давления, равное давлению столба ртути высотой 760 мм при температуре 0 °С называют нормальным атмосферным давлением.

В системе СИ атмосферное давление измеряется, как и любое другое, в Паскалях.

Подставим в формулу Р = ρgh значения р = 13600 кг/м³, g = 9,82 Н/кг, h = 0,76 м, получим:

Таким образом, нормальное атмосферное давление равно:

Обычно атмосферное давление отличается на некоторую величину от нормального. С увеличением высоты оно уменьшается, а с уменьшением (впадины, шахты) — увеличивается.

Атмосферное давление оказывает существенное влияние на поведение различных механических систем. Если давление внутри системы равно атмосферному, то это влияние обнаружить нельзя, но если оно меньше — это проявляется очень заметно.

Решение задач. №№ 561, 565, 566,573.

III. Опыт с магдебургскими полушариями

Если позволяют возможности, можно продемонстрировать классический опыт с магдебургскими полушариями.

Домашнее задание

§ 42; вопросы к параграфу; задачи №№ 569, 574; экспериментальное задание — стр. 104.

Дополнительный материал

Еще древней цивилизации были известны всасывающие насосы. С их помощью можно было поднять воду на значительную высоту, т.к. вода послушно следовала за поршнем такого насоса.

Древние философы задумывались о причинах этого и пришли к следующему заключению: вода следует за поршнем потому, что природа боится пустоты, поэтому-то между поршнем и водой не остается свободного пространства.

Рассказывают, что одни мастер построил для садов герцога Тосканского во Флоренции всасывающий насос, поршень которого должен был затягивать воду на высоту более 10 м. Но как ни старались засосать этим насосом воду, ничего не получалось. На 10 м (34 фута) вода поднималась за поршнем, а дальше поршень отходил от воды, и образовывалась та самая пустота, которой природа боится.

Когда с просьбой объяснить причину неудачи обратились к престарелому Галилею, он пошутил, что, вероятно, природа перестает бояться пустоты на высоте более 34 футов, и предложил своим ученикам — Торричелли и Вивиани разобраться в этом странном явлении.

Имя Е.Торричелли (1608-1647) навсегда вошло в историю физики как имя человека, впервые доказавшего существование атмосферного давления и сконструировавшего первый барометр.

Магдебургские полушария

В 1654 году, спустя 11 лет после открытия Торричелли, действие атмосферного давления было наглядно показано магдебургским бургомистром Отто фон Герике. Известность принесла автору не столько физическая сущность опыта, сколько театральность его постановки.

Два медных полушария были соединены кольцевой прокладкой. Через кран, приделанный к одному из полушарий, из составленного шара был выкачан воздух, после чего полушария невозможно было разнять. Сохранилось подробное описание опыта Герике. Чтобы разъединить полушария, Герике приказал запрячь две восьмерки лошадей. К упряжи шли канаты, продетые через кольца, прикрепленные к полушариям. Лошади оказались не в силах разъединить полушария.

Силы восьми лошадей (именно восьми, а не шестнадцати, так как вторая восьмерка, запряженная для пущего эффекта, могла быть заменена крюком, вбитым в стену, с сохранением той же силы, действующей на полушария) было недостаточно для разрыва магдебургских полушарий. Магдебургские полушария имеются у каждого человека: головки бедренных костей удерживаются в тазовом суставе атмосферным давлением.