Вес воздуха. Атмосферное давление. Почему существует воздушная оболочка Земли.

Тема: Вес воздуха. Атмосферное давление. Почему существует воздушная оболочка Земли.

Эпиграф к уроку:

Вокруг Земли воздушный слой.

Удобнее сказать молекулярный слой.

Все это атмосферою зовут.

Достаточно ли строго берегут

Воздушный слой Земли?

Ведь от него зависит жизнь - дилемма:

Жизнь или смерть? Что выберем - проблема.

Цель урока: сформировать понятие атмосферного давления, раскрыть его природу, ознакомить школьников с явлениями, вызванными действием атмосферы

Задачи:

образовательные: из курса географии вспомнить общие понятия атмосферы и атмосферного давления; рассмотреть причины, создающие атмосферное давление, экспериментально доказать его наличие; обосновать существование веса воздуха.

развивающие: развивать умение выделять главное, аргументировать свой ответ, приводить примеры, формулировать выводы, анализировать и систематизировать предлагаемую информацию, давать полный развёрнутый ответ; способствовать овладению методами научного исследования (проводить самостоятельно эксперимент и делать выводы на основе анализа общих и отличительных черт объектов); формировать умения работать с образовательными ресурсами в Интернете.

воспитательные: создать условия для положительной мотивации при изучении физики, используя разнообразные приемы деятельности, сообщая интересные сведения; показать взаимосвязь атмосферного давления со здоровьем и жизнедеятельностью человека; формировать умение работать в парах, включаться в диалог друг с другом.

Тип урока: комбинированный.

Методы обучения: эвристический, объяснительно-иллюстративный, проблемный, демонстрации и практические задания, решение задачи физического содержания.

Необходимое техническое оборудование: компьютер, мультипроектор, экран, шар для взвешивания воздуха, насос, приборы для демонстрации опытов, доказывающих существование атмосферного давления: стакан с водой, лист бумаги, весы рычажные демонстрационные; оборудование для фронтального эксперимента: пипетки, медицинские шприцы, стеклянные трубочки (ливер), стаканы с водой; модель «магдебургские полушария».

Цели урока:

организовать изучение и первичное закрепление понятий: вес воздуха и атмосферное давление, продемонстрировать с помощью опытов существование атмосферного давления;

способствовать развитию умений наблюдать, сравнивать, делать выводы, высказывать свое мнение;

способствовать развитию речи, мышления учащихся, умений объяснять явления с научной точки зрения;

способствовать формированию интереса к предмету, воспитанию коммуникативных качеств учащихся.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Методы обучения: объяснительно-иллюстративный, частично-поисковый.

Приемы обучения: объяснение учителя, работа с оборудованием, решение задач.

Ход урока.

Узнаем: Почему существует воздушная оболочка земли? Чему равно нормальное атмосферное давление? Почему из флакона с очень узким отверстием (флакон из- под одеколона) трудно выливается вода? Почему нижнее отверстие пипетки должно быть малым? Почему приходится прилагать огромное усилие, вытаскивая ногу, увязшую в глине или топком болотистом грунте? Можно ли «спрятаться» от атмосферного давления, ныряя в воду? Почему трудно пить сырое яйцо, если в нем имеется только одно отверстие?

Вспомним:

* Состав атмосферы и ее структуру;

* Рас­пре­де­ле­ние тем­пе­ра­ту­ры ат­мо­сфер­но­го воз­ду­ха по вы­со­те.

* Атмосфера - система динамичная, в ней существует движение воздушных потоков, под влиянием которых формировался ландшафт, развивался жизнь.

Учитель: Наблюдательный, пытливый человек всегда находит вокруг себя удивительное и интересное, и потому мир его всегда богаче и содержательнее, нежели у человека равнодушного. Взгляни пристально - и ты увидишь много чудесного, если только ты умеешь видеть и удивляться. Ведь и сегодня наблюдательный и вдумчивый человек непременно удивится и блеску лунной дорожки на воде, алым краскам заката. Разве не удивительно: из закрытого пробкой продырявленного флакона духи не вытекают, но стоит вынуть пробку - и жидкость выливается! Какая тому причина? Например: пытливый ум французского философа Рене Декарта откликался на любое самое незначительное явление. Жидкость граничит только с воздухом. И никаких других преград здесь нет. Так неужели же, делает вывод Декарт, воздух оказывает давление и удерживает жидкость в небольшом отверстии? Другое дело, когда отверстие большое, - здесь воздух давит уже на большую площадь, тогда вес жидкости превосходит давление воздуха и жидкость выливается из флакона. А когда пробка вынута, тогда, рассуждал Декарт, воздух давит и сверху, на открытое горлышко, и снизу, на маленькое отверстие в дне. Давит и не мешает духам вытекать. А если воздух давит, - значит … воздух имеет вес! Декарт еще и еще проверяет себя. Может быть, вкралась какая-нибудь ошибка? Ведь никому в голову не приходило, что воздух … весит.

На воздух, как и на всякое тело, находящегося на Земле действует сила тяжести, и, значит, воздух обладает весом.

Демонстрация опыта.

На опыте покажем, как вычислить массу воздуха. Для этого нужно взять прочный стеклянный шар с пробкой и резиновой трубкой с зажимом. Выкачаем из него насосом воздух, зажмем трубку зажимом и уравновесим на весах. Затем, открыв зажим на резиновой трубке, впустим в него воздух. Равновесие весов при этом нарушится. Для его восстановления на другую чашку весов придется положить гири, масса которых будет равна массе воздуха в объеме шара.

Опытами установлено, что при температуре 0 °С и нормальном атмосферном давлении масса воздуха объемом 1 м3 равна 1,29 кг. Вес этого воздуха легко вычислить:

P = g·m, P = 9,8 Н/кг · 1,29 кг ≈ 13 Н.

Воздушная оболочка, окружающая Землю, называется атмосфера (от греч. атмос - пар, воздух, и сфера - шар).

Атмосфера, как показали наблюдения за полетом искусственных спутников Земли, простирается на высоту нескольких тысяч километров.

Вес воздуха и атмосферное давление.

Вспомним: Состав атмосферы и ее структура изучены достаточно хорошо. Атмосфера земли состоит из азота (78%), кислорода (21%), аргона (1%), малых примесей углекислого газа, водорода, неона. Гелия. Паров воды. А также взвешенных твердых частиц. Среди планет Солнечной системы атмосферу такого состава имеет только Земля. Атмосфера Венеры Марса состоит в основном из углекислого газа, на Юпитере и Сатурне преобладают гелий, водород, метан и аммиак, Луна и Меркурий вообще не имеют атмосферы. Исследованиями установлено, что воздушная оболочка Земли простирается на тысячи километров, однако большая ее часть - 80% всей массы сосредоточено в 15ти километровом слое над поверхностью. Верхние слои воздуха очень разреженные, а чем ближе к Земле, тем плотность воздуха возрастает. Воздух, как и любой другой газ, тоже имеет свой вес, который обусловливает давление на поверхность Земли и все тела на ее поверхности. Верхние слои воздуха давят на средние, те на нижние, и так создается давление атмосферы на поверхность Земли. Рассчитав вес тела, т.е. воздуха, мы можем найти, чему равно атмосферное давление.

В физике атмосферным давлением называют давление, которое оказывает атмосфера Земли на все, находящиеся на ее поверхности, тела и предметы. Что же дает нам существование атмосферного давления на практике?

Атмосферные слои до высоты 120 км.

Стро­е­ние ат­мо­сфе­ры Земли.

Раз­де­ле­ние ат­мо­сфе­ры на слои про­во­дят, учи­ты­вая ха­рак­тер из­ме­не­ния тем­пе­ра­ту­ры ат­мо­сфер­но­го воз­ду­ха с вы­со­той. По мере подъ­ема от по­верх­но­сти Земли тем­пе­ра­ту­ра воз­ду­ха сна­ча­ла убы­ва­ет, а затем на­чи­на­ет воз­рас­тать. Слои различаются между собой составом газов. Распределением по высоте температуры, давления и плотности. Давление и температура зависят также от освещенности поверхности солнцем, от характера местности и многих других условий. С зонами разного давления связаны ветры, циклоны, антициклоны. Различна и протяженность атмосферы: она больше над экватором и меньше над полюсами. Связано это с вращением Земли и другими причинами. Атмосфера - система динамичная, в ней существует движение воздушных потоков. Под влиянием этих потоков формировался ландшафт, развивалась жизнь. Солнечные лучи нагревают поверхность Земли, больше в экваториальном поясе, меньше в полярных областях. Нагрев поверхности приводит к возникновению вертикальных конвекционных потоков, а они, в свою очередь, и разница в давлении создают горизонтальные перемещения воздуха. Разница в давлении над поверхностью связана не только с высотой. Температурой, движением воздуха, но и с влажностью. Там, где влажность выше, давление ниже, и наоборот.

.

Рас­пре­де­ле­ние тем­пе­ра­ту­ры ат­мо­сфер­но­го воз­ду­ха по вы­со­те.

Мы живем на дне воздушного океана. Этот океан огромен. Благодаря своему весу воздух не рассеивается в мировое пространство. Вследствие действия силы тяжести верхние слои атмосферы, подобно воде океана, сжимают нижние слои. Воздушный слой, прилегающий непосредственно к Земле, сжат больше всего и, согласно закону Паскаля, передает производимое на него давление по всем направлениям одинакого.

В результате этого земная поверхность и телá, находящиеся на ней, испытывают давление всей толщи воздуха, или, как обычно говорится в таких случаях, испытывают атмосферное давление.

Существованием атмосферного давления могут быть объяснены многие явления, с которыми мы встречаемся в жизни. Рассмотрим некоторые из них.

На рисунке изображена стеклянная трубка, внутри которой находится поршень, плотно прилегающий к стенкам трубки. Конец трубки опущен воду. Если поднимать поршень, то за ним будет подниматься и вода.

Это явление используется в водяных насосах и некоторых других устройствах.

На рисунке показан цилиндрический сосуд. Он закрыт пробкой, в которую вставлена трубка с краном. Из сосуда насосом откачивается воздух. Затем конец трубки помещается в воду. Если теперь открыть кран, то вода фонтаном брызнет в внутрь сосуда. Вода поступает в сосуд потому, что атмосферное давление больше давления разреженного воздуха в сосуде.

Почему существует воздушная оболочка Земли. Объяснение нового материала.

Выводы: 1.Молекулярное движение приводит к частичному рассеянию атмосферы Земли. Чем слабее планета притягивает свою атмосферу, тем быстрее происходит рассеяние. Например: на Луне и Меркурии сила тяжести соответственно в 6 раз и в 2,5 раз меньше, чем на Земле. Поэтому их атмосфера рассеялась в космическое пространство.

2. Атмосферное давление уменьшается с подъемом. Происходит это по двум причинам: при подъеме над поверхностью Земли уменьшается плотность воздуха и высота воздушного столба. Поэтому, в отличие от жидкостей атмосферное давление уменьшается не по линейному закону, а значительно быстрее (таблица).

Атмосферное давление в физике и в жизни.

Учитель: На уроке рассмотрели ряд опытов, некоторые из которых несложно проделать в домашних условиях. Так, вместо цилиндра с поршнем мы можем взять обыкновенный шприц, опустить его в емкость с водой и, потянув поршень шприца вверх, мы увидим, что вода поднимается вверх по шприцу. Этот опыт, который хоть раз в жизни видел или проделывал любой из нас, является следствием существования атмосферного давления. Каким образом? Воздух давит на любой предмет и тело на поверхности, а, следовательно, и на находящуюся в емкости воду. Когда мы тянем поршень шприца вверх, то уменьшаем давление внутри шприца, и вода под действием атмосферного давления устремляется в область пониженного давления, то есть, в шприц. Тот же принцип позволяет нам набирать жидкости пипеткой. Еще пример из жизни - это устройство автоматической поилки для птиц и мелких домашних животных. Флягу с водой опускают в корытце или тазик, в котором тоже находится вода. Под действием атмосферного давления вода из фляги не выливается вся, так как над ней образуется зона безвоздушного пространства, лишенная давления. А вот когда уровень воды в корытце понижается, и пузырек воздуха попадает внутрь фляги, то часть воды спокойно выливается наружу. Удивительный присасывающийся аппарат у спрутов. Щупальца их усеяны множеством присосков. Обхватит спрут ими камень или скалу, присосется - нипочем не оторвать. Рыбы - прилипалы совершают длительные путешествия. Прикрепившись расположенными на голове присосками к днищу океанского корабля или, на худой конец, просто … к телу акулы. Как дышит человек? Расширяя грудную клетку и растягивая легкие. Опять работает разрежение. Опять разность давлений.

Учитель: Каков же вес всего воздушного океана? С какой силой воздух давит на тело человека? Цифра получается впечатляющая! Десять тонн! Десять тонн воздуха давит на человека. Трудно даже вообразить себе эту величину. Она расплющила бы человека, если бы такое давление было направлено только сверху вниз. Люди не замечают тяжести давления, так как по законам давления в жидкостях оно направлено и в стороны, и вниз, и, более того, внутри тела человека воздух находится под таким же давлением. Точно также и рыба в воде не испытывает ее тяжести.

Учитель: Теперь вы легко ответите на те вопросы, которые были в начале урока.

Вопрос: Верно ли утверждение: «Чтобы вычислить вес всей атмосферы, надо нормальное атмосферное давление умножить на площадь поверхности Земли?»

Ответ: Утверждение было бы верно, если б поверхность Земли была плоской. На самом деле сферический слой воздуха, окружающий Землю, весит больше, чем сила давления его на поверхность Земли.

Вопрос: Почему приходится прилагать огромное усилие, вытаскивая ногу, увязшую глине или топком болотистом грунте?

Ответ: При выдергивании из ноги из болота под стопой создается пространство, в которое воздух не может попасть. Поэтому, вытаскивая ногу, человек должен преодолеть не только сопротивление вязкой почвы, но и еще и силу давления атмосферного воздуха.

Вопрос: Почему парнокопытные животные не испытывают трудностей, передвигаясь по болотистой местности?

Ответ: При вытаскивании ноги из грунта воздух просачивается между раздвоением копыта. Вследствие этого не возникает разности давлений воздуха над и под копытом и нога легко поднимается.

Вопрос: Почему из флакона с очень узким отверстием трудно выливается вода?

Ответ: При малом диаметре отверстия велика кривизна мениска, возникающее давление препятствует вытеканию жидкости.

Вопрос: Почему ни один из астероидов (малых планет) не имеет атмосферы?

Ответ: Молекулы газа быстро рассеялись бы в космическом пространстве: слабое притяжение астероида не смогло бы их удержать.

Задача: На какой глубине давление в озере равно 300 кПа?

Решение: Давление на глубине складывается из атмосферного давления Ратм и давления столба воды: Р = Ратм + gh, где - плотность воды.

h = Р - Ратм/ g;

h = =20; h = 20м.

Задача: На первом этаже здания барометр показывает давление

Р0 = 760 мм рт. ст. Какое давление Р1 он покажет на шестом этаже этого здания, если расстояние между этажами равно 4м? Температура атмосферного воздуха 0°C.

Решение: Разность между первым и шестым этажами h = 5·4=20(м). Следовательно, давление находящегося между этими этажами столба воздуха = gh= 260Па, где плотность воздуха. С другой стороны, давление в 1мм рт. ст. равно примерно 130 Па. Значит, = 2 мм рт. ст. Итак, Р1= Р0 - = 760 мм рт. ст. - 2 мм рт. ст. = 758 мм рт. ст.

Много и плодотворно изучением атмосферного давления занимался Отто фон Герике.

Отто фон Ге́рике - немецкий физик, инженер, философ, дипломат и бургомистр Магдебурга. Стремясь доказать существование вакуума, Герике изобрёл воздушный насос (1650). В ряде опытов он доказал существование давления воздуха.

Мировую славу ему принесли опыты с магдебургскими полушариями.

Особенно его интриговал постулат Аристотеля о том, что природа не терпит пустоты. Для проверки этого утверждения он изобрел воздушный насос, с помощью которого в 1654году осуществил свой знаменитый опыт с магдебургскими полушариями.

Для выполнения опыта было изготовлено два медных полушария диаметром около 35,5 см, одно из которых было снабжено трубкой для откачивания воздуха. Эти полушария сложили вместе, а между ними поместили кожаное кольцо, пропитанное расплавленным воском.

Неудобное расположение насоса заставило Герике устроить специальный треножник для всего прибора и присоединить к поршню рычаг. Таким образом был создан первый в мире воздушный насос, названный автором Антила Пневматика (лат.Antlia pneumatica).

Затем с помощью насоса откачали воздух из полости, образовавшейся между полушариями. На каждом из полушарий имелись железные кольца, в которые были впряжены две упряжки по восемь лошадей.

Лошади, погоняемые кучерами, изо всех сил старались хотя бы сдвинуться с места. Но все попытки разъединить полушария не увенчались успехом, однако когда внутрь полушарий впустили воздух, они распались без усилия.

Опыт с магдебургскими полушариями доказал наличие атмосферного давления и до сих пор излагается в курсах общей физики по всему миру.

Какая же сила сжимала полушария, противодействуя силе шестнадцати лошадей? Этой силой было действие атмосферного воздуха. Чем больше воздуха выкачивали из полости между полушариями, тем сильнее они сжимались снаружи атмосферным давлением. Что сдавливает оба полушария? Ведь вокруг ничего нет… кроме воздуха.

Вывод: Чем больше воздуха выкачивали из полого шара, тем сильнее сжимались снаружи полушария атмосферным давлением, которое, оставаясь постоянным, тем больше превышало давление внутри шара, чем меньше там оставалось воздуха. Проникнуть внутрь шара воздуху мешало пропитанное воском кожаное кольцо.

Учитель: Знаете ли вы что… «магдебургские полушария» имеются у каждого человека: головки бедренных костей удерживаются в тазовом суставе атмосферным давлением.

Еще один опыт Герике: он сажает в стеклянный шар птицу. Присоединяет шар к насосу, выкачивает воздух - и птица мертва. Герике утверждает, что ни одна живая тварь не может обходиться без воздуха. Пустота, видно, враг живому.

Подведение итогов урока.

Домашнее задание: п.40-41, № 441; № 443

Учитель:

Но значительна роль атмосферы

Для Земли и для жизни людей,

Ведь такая воздушная сфера

Защищает от многих вещей:

От мороза ли темною ночью,

От перегрева в солнечный день,

От паденья на Землю кучи

Самых разных космических тел.

Много вредных космических лучиков

Атмосфера не пустит без ключика.

Для непрошеных злобных лучей

Не должно быть открытых дверей.

Наш воздушный большой океан,

Омывающий множество стран,

Наш защитник, обидчик, помощник,

Без которого жить невозможно.

Выполняя защитную функцию,

Атмосфера нам воздух дает.

Значит, вывод верный:

Человек без неё не живет!

Использованные источники:

1. А. В. Перышкин , « Учебник физики», 7 класс. , -М. «Дрофа», 2012 г.

2. М. Е. Тульчинский, «Качественные задачи по физике в 5-7 классах».

Пособие для учителей. М., «Просвещение», 1976г., 127 стр.

3. Л. Э. Генденштейн, Л. А. Кирик, И. М. Гельфгат «Задачи по физике» с примерами решений 7-9 классы под редакцией В. А. Орлова, «Илекса», Москва, 2005г.

4. Я. И. Перельман «Знаете ли вы физику?»- Д.: ВАП. 1994-256с.

5. А. П. Рыженков «Физика. Человек. Окружающая среда», Москва, «просвещение», 1996

6. Томилин, Н. Теребинская, «Для чего ничего?», Ленинград, « Детская литература», 1975г.

7. school-collection.edu.ru/catalog/res/669b5252-e921-11dc-95ff-0800200c9a66/4_9.swf

8. files.school-collection.edu.ru/dlrstore/669b5252-e921-11dc-95ff-0800200c9a66/4_10.swf

9. files.school-collection.edu.ru/dlrstore/e6fd461c-7e47-459c-8953-fd8cf7d85a96/7_203.jpg</</font>

10. www.poznovatelno.ru/ opit/for_fusics/60.htm

11. class-fizika.narod.ru/ 7_davlatm.htm

12. И. М. Низамов «Задачи по физике с техническим содержанием», М., «Просвещение», 1980г.

13. И. Г. Кириллова, «Книга для чтения по физике», М., «Просвещение»,1986.

14. А. В. Перышкин, УМК, «Сборник задач по физике» к учебникам А. В. Перышкина и др., 7- 9кл., М., 2016 г.

9