Барометр-анероид. Атмосферное давление на различных высотах.

Этап усвоение новых знаний и способов действий.

Ртутные барометры использовались более двух веков, и лишь в середине 19 века был сконструирован первый безжидкостный барометр. Его назвали барометр-анероид (от греческого слова «анерос» - безжидкостный).

Внешний вид барометра показан на слайде. Главная часть его - металлическая коробочка 1 с волнистой поверхностью. Из этой коробочки откачан воздух, а чтобы атмосферное давление не раздавило коробочку, её крышку пружиной 2 оттягивают вверх. При увеличении атмосферного давления крышка прогибается вниз и натягивает пружину. При уменьшении давления пружина выпрямляет крышку. К пружине с помощью передаточного механизма 3 прикреплена стрелка - указатель 4, которая передвигается вправо и влево при изменении давления. Под стрелкой укреплена шкала, деления которой нанесены по показаниям ртутного барометра.

Барометры - анероиды очень надежны и компактны по сравнению с ртутными барометрами. Хотя с течением времени упругость мембраны, которая воспринимает изменения атмосферного давления, уменьшается, и показания становятся неточными.

Такие барометры фиксируют изменения давления при перемещении его на высоту два-три метра. Так как с увеличением высоты над землей атмосферное давление падает, то при помощи барометра можно определять высоту подъема над поверхностью Земли.

При малых подъемах атмосферное давление падает примерно на 1 мм рт.ст. на высоту 12 м. Такая зависимость используется в приборах, которые измеряют высоту подъема тела - высотометров.

Используя барометр-анероид можно определить высоту здания.

Обобщение: знание атмосферного давления важно для предсказывания погоды на ближайшие дни, так как изменение атмосферного давления связано с изменением погоды. Барометр - необходимый прибор при метеорологических наблюдениях. Во всякой жидкости давление убывает при переходе от дна к верхним слоям. В жидкости это уменьшение происходит по линейному закону. Например: в воде давление убывает на 1Н/см² (100000 Па) при поднятии на 1 м. Так как жидкости малосжимаемы, то их плотность на разных глубинах практически одинакова.

Иначе обстоит дело в газе, на который действует сила тяжести. «Компромисс» между силой тяжести и молекулярным давлением приводит к тому, что плотность воздуха быстро уменьшается с высотой. Над уровнем моря плотность атмосферного воздуха равна 1,3 кг/м³, на высоте 3000 м она 0,9 м³, на высоте 8000 м - 0,5 кг/м³. При высоте атмосферы более чем 2000 км (примерно 0,3 радиуса Земли) нижний ее слой толщиной всего 16 км содержит 0,9 всей массы атмосферы. Чем выше, чем воздух разреженнее и, наконец, атмосфера незаметно переходит в безвоздушное пространство. Чем меньше плотность воздуха, тем меньше он сжат, тем меньше его давление. Следовательно, атмосферное давление уменьшается с подъемом. Происходит это по двум причинам: при подъеме над поверхностью Земли уменьшается плотность воздуха и высота воздушного столба.

Технические достижения:

Анероиды - высотометры.

Анероиды, имеющие шкалу, по которой непосредственно можно отсчитать высоту, называют высотомерами. Их применяют в авиации при подъемах на горы.

Задача: На шкале барометра иногда делают надписи «ясно» или «облачно». Какая из этих надписей соответствует более высокому давлению? Почему предсказание барометра не всегда оправдывается? Что будет предсказывать барометр на вершине высокой горы?

Решение: «Ясно» соответствует высокому давлению, «облачно» - низкому. Воздух движется от областей высокого давления к областям низкого давления. Вместе с воздушными массами движутся и облака, несущие осадки. Поэтому вслед за понижением атмосферного давления часто следуют осадки, а вслед за повышением - ясная погода. Но даже современная метеослужба не всегда правильно предсказывает погоду. Для точного прогноза нужно учесть не только давление, но и температуру воздуха, его влажность, скорость и направление ветра, а также множество других факторов. Барометр «не знает» всего этого. На вершине горы он будет упрямо предсказывать дождь - ведь давление воздуха там низкое.

Барограф.

При наблюдении погоды в метеорологии, если необходимо зарегистрировать колебания атмосферного давления в течение некоторого промежутка времени, пользуются самопишущим прибором - барографом

Радиозонд.

Сведения о верхних слоях атмосферы получают с помощью шара-радиозонда, причем у поверхности Земли при запуске его оболочка заполняется не полностью.

«Естественные барометры»:

1. Лягушка (любая), банка, немного воды и деревянная линейка - все, что нужно для «естественного барометра». Пойманной лягушке нужно дать прийти в себя и можно начать наблюдение. Если лягушка поднимается по лестнице - ждите плохой погоды, спускается - к переменной погоде, барахтается на поверхности воды - ждите солнечной сухой погоды. Связано это с лягушачьей кожей и испарением воды с нее: к сухой погоде - сиди в воде, дождик - можно выбраться на сушу.

2. Пиявка - еще один природный барометр.

В хорошую погоду пиявка лежит на дне банки ( в пол - литровую банку налить полстакана воды), свернувшись в клубок. Перед дождем она всплывает к краю сосуда и лежит, пока погода не улучшится. Если будет ветер, то быстро плавает и успакаивается вместе с ветром. Перед бурей она конвульсивно подергивается. В морозную ясную погоду она лежит на дне, а в снегопад поднимается к поверхности воды. Вопрос: Почему?

Ответ: Все это связано с изменением атмосферного давления. При пониженном давлении (перед дождем и снегом) содержания воздуха и кислорода в воде уменьшается. В хорошую погоду давление высокое, кислорода в воде достаточно, и пиявка хорошо себя чувствует на дне. То же самое наблюдается и в природе - в водоеме.

3. А бывают ли растения- барометры?

Ответ: Ель. К пасмурной погоде ее ветви опускаются к низу, к ведру - приподнимаются, дерево «веселеет». Еловая шишка - может закрывать и открывать свои чешуйки.

Атмосферное давление на различных высотах.

1. Почему плотность жидкости на различных глубинах почти одинакова?

Ответ: Плотность одинакова из-за малой сжимаемости жидкости.

2. Одинаковая ли плотность газов на разных высотах?

Ответ: Нет, чем ближе к поверхности Земли, тем плотность газов больше (вследствие явления тяготения), значит, газ сжат сильнее. Чем сильнее сжат газ, тем больше ударов молекул о поверхность тела, значит, тем большее давление он производит.

Вывод: Давление воздуха на тело при его поднятии над поверхностью Земли уменьшается не только потому, что уменьшается высота столба воздуха над ним, но и потому, что уменьшается плотность воздуха.

Физкультминутка.

Задача: Можно ли измерить давление воздуха в кабине космического корабля барометром- анероидом? (Можно).

Задача: Почему ни один из астероидов не имеет атмосферы?

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

Задача: Какой барометр чувствительнее: ртутный или масляный? (рт=13600кг/м³; м =900кг/м³).

Ответ: Масляный, так как плотность масла в 15 раз меньше плотности ртути, и поэтому изменению уровня ртутного барометра на 1 мм соответствует изменение уровня масляного на 15 мм.

Задача: Какой объем занимает 1 кг воздуха при нормальных условиях(Р= 760 мм рт. ст.; t= 0ºC)?

Решение: При нормальных условиях в 1м³ содержится воздух массой 1,29 кг, значит, V= 1м³·1кг/1,29 кг=0,775м³

Задача: Как высоко может поднять воду колодезный всасывающий насос?

Ответ: Высота 10,3м - чисто теоретическая, на практике неосуществимая. Через скважины между поршнем и стенками трубы неизбежно проникает воздух, а также при обычных условиях в воде растворен воздух. Выделяясь при работе насоса в разрежаемое пространство под поршнем, воздух этот своим давлением препятствует подъему воды на теоретические 10,3м и понижает высоту поднятия на 3м: выше 7м вода в колодезных насосах не поднимается.

Задача: У основания пирамиды Хеопса, высота которой 137м, барометр показывает 750мм рт. ст. определите давление на вершине пирамиды.

Решение:

Р = Р0 - Рвоздуха

Р = Р0 - gh; 750 мм рт. ст. = 99975 Па

Р = 99975 Па - 1,29кг/м³·10H/кг·137м = 98208 Па = 736 мм рт. ст.

Ответ: Р = 736 мм рт. ст.

Задача: На первом этаже школы барометр показывает 749 мм рт.ст., а на последнем этаже разница показаний прибора составила 2 мм рт. ст. Какое давление показывает барометр на последнем этаже здания?

Ответ: 751 мм рт. ст.

Задача: у поверхности шахты барометр показывает 760 мм рт. ст. На какой глубине находится шахтер, если в шахте барометр показывает 770 мм рт. ст.?

Ответ: h = Р2 - Р1/воздухаg=103 м

Задача: В опыте Торричелли вместо ртути использовали воду. Какова будет высота столба воды, оставшейся в трубке при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст.)?

Решение: Рв=вghв; Ррт =ртghрт; Рв =Ррт

ртgh = вgh

Задача: Воздушный шар с героями романа Жюля Верна «Пять недель на воздушном шаре» поднялся 2почти вертикально на высоту тысячи пятисот футов, что было отмечено падением барометра». На сколько мм рт. ст. «упал» барометр? (1фут=0,3м единица длины, применяемая в Англии и США).

Решение: При подъеме уменьшается высота воздушного столба, что приводит уменьшению атмосферного давления. Соответственно уменьшается высота ртутного столба барометра.

= 1gh1; = 2gh2; h2= 1h1/2=45 мм рт.ст.

Здача: Жюль Верн в романе «Пять недель на воздушном шаре» рассказывает о двух ученых: Бриоши и Гей-Люссаке, которые поднялись так высоко на воздушном шаре, что «у них пошла кровь из горла и ушей». Почему это произошло?

Решение: Атмосферное давление с высотой уменьшается. При подъеме разница между внешним давлением воздуха и давлением крови в человеческом организме становится больше критической, что вызывает кровотечение.

Задача: Один хитрый мальчик утверждал, что летом в составе группы альпинистов он участвовал в восхождении на гору высотой 7500м. В доказательство этого мальчик показывал фотографию, где он был снят на вершине горы с флагом, кислородным прибором, термометром, психрометром, барометром и хронометром. Показания какого прибора позволили одноклассникам опровергнуть утверждения юного альпиниста и определить, что фотографирование не могло происходить на большой высоте?

Решение: Обман обнаруживается по показаниям барометра. Шутник не учел того, что на высоте 7500м показания барометра должны быть значительно ниже, чем внизу.

Задача: Правильные показания атмосферного давления давал бы ртутный барометр, если бы при его устройстве мы наполнили ртутью не всю трубку?

Ответ: Прибор давал бы неверные показания, так как над ртутью было бы некоторое количество воздуха.

Задача: На высоте 7 - 8км в вертикальном положении падает ртутный барометр. Каковы показания прибора?

Ответ: В падающем барометре ртуть невесома. А так как в атмосферное давление существует, то ртуть заполнит всю трубку.

Задача: Оцените массу атмосферы Земли, воспользовавшись табличными данными.

Решение: Можно считать, что сила давления атмосферы на каждый небольшой участок поверхности Земли равна весу находящегося над этим участком столба воздуха. Поэтому массу М всей атмосферы можно найти из соотношения: Mg= Ратм S, где Ратм = 101 кПа (760 мм рт. ст.); S - площадь всей поверхности Земли; S = 510 млн км²;

М = Pатм S/g = 5·10кг.

Задача: Каким (примерно) стало бы давление атмосферы, если бы все океаны испарились? (См. табличные данные).

Решение: Испарившаяся вода создает дополнительное давление на поверхность Земли:

Р = Мg/S, где М воды·0,7S · hср. Масса воды в мировом океане; S - площадь поверхности Земли, S = 510 млн км²; h - средняя глубина Мирового океана 3800 м; отсюда Р 0, 7воды ghср = 270 атм.

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

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

h = P - Pатм/g= (300 - 100)10³/1000·l0=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 0ºC.

Решение: Разность высот между первым и шестым этажами h = 5х4= 20(м). Давление, находящегося между этими этажами столба воздуха

Р=gh=1,29·10 ·20=260 (Па); где -плотность воздуха. Давление в 1мм рт. ст. равно примерно 130 Па, значит, Р = 2 мм.рт.ст.

Р1=Р0 - Р= 760 мм.рт. ст. - 2 мм.рт.ст = 758 мм.рт.ст.

Домашнее задание: п.43-44, упр.21

Литература:

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-95f-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. А.И. Семке, «Нестандартные задачи по физике» (для классов естественно-научного профиля), Ярославль, 2007г, с.320.

14. А.В. Перышкин, «преподавание физики», М., «Просвещение».

15. Л. Э. Генденштейн, И. М. Гельфгат, Л. А. Кирик, «Задачи по физике», 7 класс, М.: Дом педагогики, Гимназия, Фолио, 2000 г.