Конспект урока по теме Измерение атмосферного давления. Опыт Торричелли

Тема: Измерение атмосферного давления. Опыт Торричелли.

Цель урока: сформировать понятие атмосферного давления, раскрыть его природу, ознакомить школьников со способами измерения атмосферного давления, ознакомить с опытом Торричелли.

Задачи:

Образовательные: из курса географии вспомнить общие понятия атмосферы и атмосферного давления; рассмотреть причины, создающие атмосферное давление, разобрать опыт Торричелли.

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, экран.

Ход урока:

I. Организационный момент. Приветствие учащихся. Сообщение темы и целей урока. Проверка пройденного материала.

Физический диктант:

Вариант I: нечетные вопросы

Вариант II: четные вопросы

(проверка в парах)

1. Давление, оказываемое атмосферой Земли на все находящиеся в ней предметы, называется …

2. Результат действия силы зависит не только от ее модуля, направления и точки приложения, но и …

3. Давление, оказываемое покоящейся жидкостью, называется…

4. В сообщающихся сосудах поверхности однородной жидкости устанавливаются…

5. В сообщающихся сосудах, содержащих разные жидкости, высота столба жидкости с большей плотностью будет меньше высоты столба жидкости…

6. Внутри жидкости существует давление и на одном и том же уровне оно одинаково по всем направлениям. С глубиной давление…

7. Давление жидкости на дно сосуда зависит только от плотности и …

8. Давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку…

9. При уменьшении объема газа его давление увеличивается, а при увеличении объема давление уменьшается при условии, что…

10. Давление газа тем больше, чем…

Ответы к вопросам:

1. …атмосферным давлением.

2. ...от площади той поверхности, перпендикулярно которой она действует.

3. …гидростатическим.

4. ... на одном уровне.

5. …с меньшей плотностью.

6. …увеличивается.

7. …высоты столба жидкости.

8. … одинаково по всем направлениям.

9. … масса и температура газа остаются неизменными.

10. … чаще и сильнее молекулы ударяют о стенки сосуда.

II. Объяснение нового материала.

Учитель: В эпоху раннего средневековья представление об атмосфере высказал египетский ученый Ал Хайсама (Альгазена), живший в XI веке. Он не только знал, что воздух имеет вес, но что плотность воздуха уменьшается с высотой. Наблюдая за продолжительностью сумерек, Альгазен оценивал высоту атмосферы примерно в 40 километров. Первыми, кто практически измерил давление воздушного океана, были итальянские колодезники. Практики с достаточной точностью оценили силу атмосферного давления. Необходимо было сделать дальнейший шаг. Его сделал Торричелли.

Недоумевающие строители обратились за помощью Галилею, который сострил, что, вероятно, природа перестает бояться пустоты на высоте более 34 футов, но все же предложил разобраться в этом своему ученику Торричелли. Поиски причин упрямства воды и опыта с более тяжелой жидкости - ртутью, проведенные в 1643 году Торричелли, привели к открытию атмосферного давления.

Историческая справка.

Ученик 1: Эванджелиста Торричелли (1608-1647) родился в Фаэнце в Италии, в знатной семье. Рано лишившись отца, Торричелли воспитывался своим дядей - ученым монахом, отдавшим его в иезуитскую школу. В восемнадцать лет Торричелли отправили в Рим для продолжения математического образования. В Риме Эванджелиста сблизился с учеником и последователем Галилея - Бендетто Кастелли (1577-1644). Кастелли был доминиканским священником и профессором математики. Он рано примкнул к учению Галилея и сделался верным помощником и другом великого ученого. После смерти Галилея его два ученика - Торричелли и Вивиани - работали в тесном содружестве. Теперь их главной задачей было утверждение экспериментального метода. Уже в римский период жизни Торричелли стоял на пороге фундаментального открытия - открытия давления воздушного океана. И, наконец, Торричелли совершает величайшее открытие. Ему приходит в голову мысль измерить вес атмосферы весом ртутного столба. В 1643 году по его указанию эксперимент был произведен другом Торричелли Винченцо Вивиани. Опыт оправдал все ожидания, ртуть остановилась на заданной высоте, над нею образовалась «торричеллиева пустота».

Учитель: Для полной убедительности Торричелли поставил опыт с двумя трубками. Он хочет показать, что ртуть не удерживается никакими симпатиями или антипатиями, а форма пространства над ртутью не играет никакой роли и дело только во внешнем давлении воздуха.

Торричелли удалось найти еще более важное доказательство внешней причины образования ртутного столба. Ученый заметил, что высота столба испытывала колебания, то есть давление атмосферы менялось. Таким образом, трубка Торричелли стала первым барометром. Именно с этого опыта началось научное наблюдение за погодой, важнейшими характеристиками которой являются давление и температура.

Эксперимент Торричелли был не безупречен. Данная им высота ртутного столба, если принять во внимание высоту Флоренции над уровнем моря, соответствует 74,2 сантиметрам ртутного столба. Малое значение этой величины можно объяснить тем, что в «торричеллиевой пустоте» оставалось еще некоторое количество воздуха.

Торричелли предполагал, что причина описанного явления - это давление атмосферного воздуха, и вместе с другим учеником Галилея - Вивиани - поставил опыт и получил ответ на вопрос, на который не успел получить ответа их великий учитель.

Трудно представить себе экспериментальную установку с трубой, высота которой более 10 м. Талант Торричелли позволил ему найти остроумный выход из этой ситуации: вместо воды ученый решил использовать ртуть. Если упрощенно описать установку Торричелли, то можно сказать, что она состоит из двух сосудов: стеклянной трубки длиной в около 1 м, запаянной с одной стороны, и чаши с ртутью.

В длинную стеклянную трубку до краев наливали ртуть, плотно закрывали ее отверстие пальцем, переворачивали трубку, погружали нижний конец в чашу с ртутью и затем убирали палец, закрывающий отверстие в трубке. После этого ртуть начинала выливаться из трубки в чашу, однако полностью не выливалась. Соответственно, верхняя часть трубки оставалась пустой. Торричелли удалось доказать, что это действительно пустота. Сделано это было достаточно остроумно: в чашу поверх ртути наливалась вода, после этого трубку с ртутью постепенно приподнимали вверх до тех пор, пока ее открытый конец не оказывался в воде выше ртути. При этом ртуть полностью выливалась из трубки в чашу, а вода под большим напором наполняла трубку доверху.

В своих опытах Торричелли использовал трубки, у которых запаянные части имели различный объем, однако в любом случае, независимо от формы той или иной трубки, уровень ртути был одним и тем же. Этот эксперимент подтверждал, что столб ртути удерживается именно атмосферным явлением, а не боязнью пустоты. Если бы ртуть удерживалась пустотой, - рассуждал Торричелли, - то совсем маленькое количество пустоты в трубке со сжатым концом, удерживало бы меньшее количество ртути, а большое количество пустоты - большее. Тот факт, что ртуть, независимо от формы трубки, остается на одном и том же уровне, объясняется давлением атмосферного воздуха на поверхность ртути в чаше.

При изменении атмосферного давления изменяется и высота ртутного столба в трубке. Этот факт позволил на основе экспериментальной установки Торричелли сделать прибор для измерения атмосферного давления - ртутный барометр. И до настоящего времени чаще всего атмосферное давление измеряют в миллиметрах ртутного столба, даже в тех случаях, когда используют не ртутные барометры, а другие приборы.

Измерив высоту столба ртути, можно рассчитать давление, которое производит ртуть. Оно и будет равно атмосферному давлению. Если атмосферное давление уменьшится, то столб ртути в трубке Торричелли понизится.

Чем больше атмосферное давление, тем выше столб ртути в опыте Торричелли. Поэтому на практике атмосферное давление можно измерить высотой ртутного столба. Если, например, атмосферное давление равно 780 мм рт. ст., то это значит, что воздух производит такое же давление, какое производит вертикальный столб ртути высотой 780 мм.

Вывод: Если давление атмосферы равно 760 мм ртутного столба, это значит, что воздух производит такое же давление, какое производит вертикальный столб ртути высотой 760мм. Давление ртутного столба известной высоты можно вычислить по формуле: P = gh. ( для расчета давления в газах эта формула не применяется). Если выразить плотность в кг/м³, а высоту столба в м, то получим давление в Н/м²; Ртути = 13600 кг/м³·10H/кг· 0,76 м= 103360 Н/м²

760 мм рт ст. = 103360 Па.

Атмосферное давление в верхних слоях меньше, так как плотность воздуха с увеличением высоты над уровнем моря уменьшается.

Вопрос: Почему наиболее удобной жидкостью для опыта Торричелли является ртуть? Почему в ртутном барометре чашка гораздо шире трубки?

Ответ: У ртути большая плотность. За показание ртутного барометра принимается высота столбика ртути в трубке, отсчитанная от поверхности ее в чашке. При изменении атмосферного давления высота столбика изменяется, при этом какое-то количество ртути переходит либо из трубки в чашку, либо из чашки в трубку. Следовательно, уровень ртути в чашке при изменении атмосферного давления будет изменяться. Шкала же прибора неподвижна и отнесена к какому-то условному уровню ртути. Значит, прибор дает систематическую ошибку, которую в точных измерениях надо учитывать. На практике, чтобы уменьшить эту ошибку прибора, чашку берут гораздо шире трубки. Тогда уровень в ней изменяется незначительно.

Учитель: Зная высоту столба и плотность жидкости, можно определить величину давления атмосферы. Таким образом, из опыта Торричелли родилась метеорология.

В конце 1646 г молва об удивительных опытах Торричелли докатилось до французского города Руана, где в то время жил французский физик Блез Паскаль. Паскаль повторяет опыты Торричелли не только с ртутью, но и с маслом и с водой, красным вином, для чего потребовалось бочки вместо чашек и трубки длиной 15 м. Эти эффектные опыты проводилось прямо на улицах Руаны, радуя жителей.

Паскаль осмелился верить, что в трубке Торричелли действительно есть пустота. И ищет этому доказательство. Для этого он инициирует опыты у подножья и на вершины горы Пюи - де- Дом. Для того чтобы не осталось никаких сомнений в том, что давление атмосферы понижается с увеличением высоты над Землей, Паскаль проделал еще несколько опытов, но уже в Париже: внизу и наверху собора Нотр-Дам, башни Сен-Жак, также высокого дома с 90 ступеньками.

Учитель: Торричелли наполнял трубки ртутью, придерживая отверстие пальцем; когда затем трубки опрокидывали в чашку с ртутью, они опоражнивались, но лишь отчасти: каждая трубка оставалась наполненной ртутью до высоты локтя и одного пальца. «Желая доказать, что пузырек (в верхней части трубки) совершенно пуст, подставленную чашку доливали водой, и тогда, при постепенном поднимании трубки, можно было видеть, что, как только ее отверстие оказывалось в воде, из трубки выливалась ртуть и весь пузырек, до самого верху, стремительно наполнялся водой. Итак, пузырек пуст, ртуть же держится в трубке. До сих пор принимали, что сила, удерживающая ртуть от естественного стремления опускаться, находится внутри верхней части трубки - в виде пустоты или весьма разреженной материи. Я не утверждаю, что причина лежит вне сосуда: на поверхность жидкости в чашке давит воздушный столб высотою 50x3000 шагов - не удивительно, что жидкость входит внутрь стеклянной трубки (к которой она не имеет ни влечения, ни отталкивания) и поднимается до тех пор, пока не уравновесится внешним воздухом. Вода же поднимается в подобной, но гораздо более длинной трубке во столько раз выше, во сколько раз ртуть тяжелее воды…»

Учитель: Для полной убедительности Торричелли поставил опыт с двумя трубками. Он хочет показать, что ртуть не удерживается никакими симпатиями или антипатиями, а форма пространства над ртутью не играет никакой роли и дело только во внешнем давлении воздуха.

Торричелли удалось найти еще более важное доказательство внешней причины образования ртутного столба. Ученый заметил, что высота столба испытывала колебания, то есть давление атмосферы менялось. Таким образом, трубка Торричелли стала первым барометром. Именно с этого опыта началось научное наблюдение за погодой, важнейшими характеристиками которой являются давление и температура.

Эксперимент Торричелли был не безупречен.

Физкультминутка.

Контроль знаний:

Учитель: С опытов Торричелли началась новая эпоха в физике - физика вакуума и атмосферных явлений. Торричелли первым проводил опыты по истечению жидкости из сосуда и обоснованно считается основателей гидродинамики. Большую известность получили также опыты немецкого физика Отто фон Герике. К выводу о существовании атмосферного давления он пришел независимо от Торричелли. Откачивая как-то воздух из тонкостенного металлического шара, Герике вдруг увидел, как этот шар сплющился. Размышляя над причиной аварии, он понял, что расплющивание шара произошло под действием давления окружающего воздуха.

Открыв атмосферное давление, Герике построил около фасада своего дома в г. Магдебурге водяной барометр, в котором на поверхности жидкости плавала фигурка в виде человечка, указывающего на деления, нанесенные на стекле. Герике утверждал, что человечек предсказывает погоду… Барометр предвещал бурю. В воскресенье, 9 декабря 1660 года, человечек в трубке опустился как никогда низко, что Герике велит оповестиь граждан о том, что надо ждать бури… Бури при ясном небе? И верно, через несколько часов над Магдебургом пронесся такой ураган, какого не помнили даже старожилы.

Задача: Представим себе, что в лаборатории, установленной на Луне, поддерживается нормальное давление. Какой будет высота ртутного столба, если проделать опыт Торричелли в такой лаборатории? Не выльется ли ртуть полностью из трубки?

Ответ: Высота ртутного столба в этих условиях будет в 6 раз больше и составит 456 см, так как сила тяжести на Луне в 6 раз меньше, чем на Земле. Для опыта Торричелли потребовалась трубка длиной около 5 м.

Задача: Какой объем занимает 1 кг воздуха при нормальных условиях

(760 мм рт. ст., t= 0°C)?

Решение: Установлено, что при нормальном атмосферном давлении и температуре 0°C в 1м³ содержится воздух массой 1, 29 кг, значит:

V= 1м³·1кг/ 1,29 кг= 0,775м³.

Задача: Может ли космонавт набрать чернила в поршневую авторучку, находясь на корабле в состоянии невесомости?

Ответ: Если на корабле поддерживается нормальное атмосферное давление воздуха, то состояние невесомости не влияет на заполнение авторучки.

Задача: Мальчик сорвал с ветки лист, приложил его ко рту, и, когда втянул воздух, лист лопнул. Почему?

Ответ: Лист разрывается атмосферным давлением, которое имеет большую величину, чем давление воздуха во рту и легких человека в момент вдоха.

Задача: Можно ли измерить давление воздуха в кабине космического корабля ртутным барометром? Барометром-анероидом?

Ответ: Нельзя, так как столб ртути вследствие невесомости не оказывает никакого давления; барометром-анероидом можно.

Задача: Маслёнка применяется для смазывания швейных машин, объясните её действие.

Ответ: При надавливании пальцами боковые стенки маслёнки прогибаются во внутрь и сжимают находящиеся над поверхностью масла воздух, который своим давлением вытесняет часть масла через узкое отверстие трубки наружу. Самостоятельному вытеканию масла из маслёнки препятствует атмосферное давление.

Задача: На какую высоту поднялся стратостат, если в ходе подъема показание находящегося на нем барометра уменьшилось от 760 мм. рт. ст. до 95 мм рт. ст. ?

Ответ: 16,5 км. Давление уменьшилось в 8 раз. Так как 8 =2³, можно считать, давление трижды уменьшилось в 2 раза. Поэтому высота подъема равна 5,5 км. · 3 = 16,5 км.

Так как плотность воздуха с высотой уменьшается, нельзя считать, что на больших высотах давление уменьшается на 1 мм рт. ст. на 12 м, тогда высота была бы 8 км, это не верное решение.

Знаете ли вы, что…

… Для больных с тяжелыми ожогами сконструировали воздушную постель? Сила давления струю воздуха поддерживает больного на весу. Боль уменьшается, раны затягиваются быстрее.

… Слон бессознательно использует атмосферное давление всякий раз, когда захочет пить? Шея у слона совсем короткая, и он не может нагнуть голову в воду, а опускает только хобот в воду и втягивает в себя воздух. Под действием атмосферного давления хобот наполняется водой, тогда слон изгибает его и выливает воду в рот.

Подведение итога урока. Выставление оценок.

Домашнее задание: п.42; №446,451, 453

Литература:

1. А. В. Перышкин , « Учебник физики», 7 класс. , -М. «Дрофа», 2015 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. Физика - юным. Сост. М.Н. Ергомышева - Алексеева. М., «Просвещение», 1969,184с.

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

9. А.В. Перышкин, «Сборник задач по физике», 7-9 классы, М,2016.

Интернет-ресурсы для презентации.

www.photolib.noaa.gov/bigs/libr0367.jpg

900igr.net/datai/geografija/Atmosfernoe-davlenie/0010-004-Opyt-Torrichelli.jpg

chpz.ru/wp-content/uploads/2010/10/Эванджелиста-Торричелли-1608-1647.jpg

wpcontent.answcdn.com/wikipedia/commons/thumb/4/4c/Old-barometers.jpg/220px-Old-barometers.jpg

www.modernlib.ru/books/nurbey_gulia/udivitelnaya_fizika/pic_230.png

900igr.net/datai/fizika/Opyt-Torrichelli/0013-012-Dokazatelstvo-suschestvovanija-atmosfernogo-davlenija.jpg

www.muctr.ru/about/history/mendel/baromtrb.jpg

www.modernlib.ru/books/nurbey_gulia/udivitelnaya_fizika/pic_228.png

www.litmir.net/br/?b=88272&p=53

www.litmir.net/br/?b=88272&p=54

russkoe-pervenstvo.narod.ru/russkoe_pervenstvo_files/russkoe_pervenstvo-7.jpg

sun.youinside.me/picture/i792/b5eedfc0412865b1e42749097dcd79dd.jpg

img-fotki.yandex.ru/get/6103/140884832.10/0_5ede1_1c0e4a41_XL

www.fargate.ru/supernatural/cache/img.23977.ebc1d44e689bc72becc0c945e64b2e1e.jpg</</p>