Одежда

Атмосферное давление измеряют с помощью. Атмосферное давление

Урок № 35.

Тема: Измерение атмосферного давления. Опыт Торричелли

Почему важно знать атмосферное давление

Атмосферное давление необходимо знать людям разных профессий: летчикам и медикам, полярникам и ученым. Атмосферное давление – это величина, которая помогает предсказывать погоду. Если атмосферное давление повышается, это говорит о том, что погода будет хорошей: зимой – морозной, а летом – жаркой. Если же атмосферное давление понижается, это может предвещать ухудшение погоды: появление облачности, выпадение осадков. Летом – это понижение температуры, а зимой – потепление.

Строение атмосферы

С 1951 года, по решению Международного геофизического союза, принято делить атмосферу на пять частей (слоев). Это тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера. Термосферу еще называют ионосферой. Эти слои не имеют четко выраженных границ. Их величина зависит от географической широты места наблюдения и времени (см. рис. 1).

Рис. 1. 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 (см. рис. 2).

Рис. 2. Распределение температуры атмосферного воздуха по высоте

Ближайший к поверхности Земли слой воздуха – тропосфера – наиболее хорошо изучен. Высота его над полярными областями – 8–12 км, над умеренными – 10–12 км, а над экваториальными – 16–18 км. В этом слое сосредоточены примерно 80% всей массы атмосферного воздуха и основная масса влаги. Слой хорошо пропускает солнечные лучи, поэтому воздух в нем нагрет от земной поверхности. Температура воздуха с высотой непрерывно понижается. Это понижение составляет около 6°С на каждый километр. В верхних слоях тропосферы температура воздуха достигает минус 55 градусов Цельсия. Цвет неба в этом слое голубой. В тропосфере протекают почти все явления, определяющие погоду. Именно здесь образуются грозы, ветры, облака, туманы. Именно здесь протекают процессы, приводящие к выпадению осадков в виде дождя и снега. Поэтому тропосферу называют фабрикой погоды.

Следующий слой – стратосфера. Она простирается от высоты 18 до 55 км. В ней очень мало воздуха – 20% всей массы – и почти нет влаги. В стратосфере часто возникают сильнейшие ветры. Изредка здесь образуются перламутровые облака, состоящие из кристалликов льда (см. рис. 3). Привычных для нас явлений погоды здесь не наблюдается. Цвет неба в стратосфере темно-фиолетовый, почти черный.

Рис. 3. Перламутровые облака в стратосфере

На высоте от 50 до 80 км расположена мезосфера. Воздух здесь еще более разрежен. Здесь сосредоточено приблизительно 0,3% всей его массы. В мезосфере сгорают влетающие в земную атмосферу метеоры. Здесь же образуются серебристые облака (см. рис. 4).

Рис. 4. Серебристые облака в мезосфере

Над мезосферой до высоты примерно 800 км находится термосфера (ионосфера). Она характеризуется еще меньшей плотностью воздуха и способностью хорошо проводить электричество и отражать радиоволны. В термосфере образуются полярные сияния (см. рис. 5).

Рис. 5. Полярное сияние в термосфере (ионосфере)

Последний слой атмосферы – экзосфера. Она простирается до высоты порядка 10000 км.

Измерение атмосферного давления

О том, что воздух имеет вес, мы часто забываем. Между тем, плотность воздуха у поверхности Земли при 0°С составляет 1,29 кг/м3.

То, что воздух действительно имеет вес, было доказано Галилеем. А ученик Галилея Эванджелиста Торричелли (см. рис. 6) предположил и смог доказать, что воздух оказывает давление на все тела, находящиеся на поверхности Земли. Это давление называется атмосферным давлением.

Рассчитать атмосферное давление по формуле расчета давления столба жидкости нельзя. Ведь для этого необходимо знать плотность и высоту столба жидкости или газа. Но у атмосферы нет четкой верхней границы, а плотность атмосферного воздуха уменьшается с ростом высоты. Поэтому Торричелли предложил совершенно другой способ для нахождения атмосферного давления.

Рис. 6. Эванджелиста Торричелли (1608–1647)

Торричелли взял стеклянную трубку длиной около одного метра, запаянную с одного конца, налил в эту трубку ртуть и опустил трубку открытым концом в чашу с ртутью. Некоторое количество ртути вылилось в чашу, но большая часть ртути осталась в трубке. Изо дня в день уровень ртути в трубке незначительно колебался, то немного опускаясь, то немного поднимаясь.

Давление ртути на уровне а-а1 создается весом столба ртути в трубке, так как в верхней части трубки над ртутью воздуха нет (там вакуум, который получил название «торричеллиева пустота»). Отсюда следует, что атмосферное давление равно давлению столба ртути в трубке. Измерив высоту столба ртути, можно рассчитать давление, которое производит ртуть. Оно будет равно атмосферному. Если атмосферное давление уменьшается, то столб ртути в трубке Торричелли понижается, и наоборот (см. рис. 7).

Рис. 7. Схема опыта Торричелли

4. Миллиметр ртутного столба – внесистемная единица давления

На практике атмосферное давление можно измерять высотой ртутного столба. Если, например, атмосферное давление равно 780 миллиметров ртутного столба (обозначается «мм рт. ст.»), то это означает, что воздух производит точно такое же давление, как столб ртути высотой 780 мм. В этом случае за единицу давления принимают 1 мм рт. ст. Найдем соотношение между этими единицами измерения и известной нам единицей измерения давления – паскалем.

Рассчитаем давление столба ртути высотой 1 мм. Это можно сделать с помощью известной нам формулы

где ρ = 13 600 кг/м3 – плотность ртути,

g = 9,8 Н/кг – ускорение свободного падения,

h = 1 мм – высота столба жидкости.

Подстановка этих числовых значений дает:

Таким образом, 1 мм рт. ст. ≈ 133,3 Па.

Ртутный барометр

Наблюдая ежедневно за изменением уровня столба ртути, Торричелли заметил, что он может повышаться и понижаться. Также Торричелли связал эти изменения с изменениями погоды. Если к трубке Торричелли прикрепить вертикальную шкалу, то получится простейший прибор для измерения атмосферного давления – ртутный барометр.

Но использование ртутного барометра небезопасно, так как пары ртути ядовиты. Впоследствии были созданы другие приборы для измерения атмосферного давления, с которыми вы познакомитесь в ходе следующего урока.

Список литературы

Перышкин А. В. Физика. 7 кл. – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2010.

Перышкин А. В. Сборник задач по физике, 7–9 кл.: 5-е изд., стереотип. – М: Издательство «Экзамен», 2010.

Лукашик В. И., Иванова Е. В. Сборник задач по физике для 7–9 классов общеобразовательных учреждений. – 17-е изд. – М.: Просвещение, 2004.

Домашнее задание

Лукашик В. И., Иванова Е. В. Сборник задач по физике для 7–9 классов №555, 556, 559, 560, 563, 569.

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-02-16

Всякий газ оказывает давление на ограничивающие его стенки. Давление - результирующая сила ударов молекул об ограничивающие стенки, направленная нормально (перпендикулярно) к этим стенкам.

Т.к. давление газа обусловлено движением молекул, то чем выше скорость движения молекул, тем выше давление. Это высказывание справедливо, если объем, который занимает газ, не меняется. Давление атмосферы есть в любой её точке. В международной системе единиц давление измеряется в паскалях. 1 Па - это давление силой 1Н деленное на 1 м2.

До паскаля использовался миллибар - мбар. 1 мбар = 100 Па. Давление в 1 мм.рт.ст. - вес столба ртути высотой 1 мм на уровне моря на широте 45 . 1 мм.рт.ст. = 4/3 гПа. Норма - 760 мм.рт.ст. = 1013,3 гПа на уровне моря. Чем выше над уровнем моря, тем ниже давление.

Приборы для измерения давления :

Делятся на 3 основных вида: ртутные барометры,ртутные анероиды и гипсотермометры.

Ртутные барометры наиболее точные, поэтому их используют в метеорологии. Но они очень громоздкие. Ртутные барометры могут быть: чашечными, сифоно-чашечными(по форме сосуда, в котором содержится ртуть).Ртутный барометр был изобретен Татчелли.

Чашечный барометр. Устройство.

Стеклянная трубка, заполненная ртутью, запаянная. Она погружена в металлический сосуд с ртутью. Воздух в верхней части трубки отсутствует, поэтому под действием внешнего давления на поверхность чашки, столбик ртути в трубке поднимается до определённой высоты. Вес столба ртути будет равен атмосферному давлению. Трубка помещена в металлическую оправу, вверху которой сделан разрез, с помощью которого можно наблюдать положение ртути в трубке. В этом месте на нём нанесена шкала в мм.рт.ст. В средней части оправы вмонтирован термометр. Поправки: 1) температурная, 2)на ускорение, 3) инструментальная

стандартная температура 0С. Если показания берутся выше, показатели будут завышенные. Температурная поправка со знаком »-».
сила тяжести зависит от широты. Стандартная широта 45. Если станция находится ближе, то показания будут завышенные. Зависит от высоты над уровнем моря. Чем выше, тем показатели меньше
нужна для корректировки неточностей. Эту поправку указывают в паспорте для барометра.

Барометр анероид Безжидкостный прибор. Принцип действия: основан на упругой деформации приёмника под влиянием изменения атмосферного давления. В качестве приёмника берётся металлическая коробка с гофрированным дном и крышкой. Воздух выкачан. Там существует пружина, которая оттягивает крышку коробки и не даёт ей сплющиться. При повышении давления, крышка будет сильнее вдавливаться в коробку, а при уменьшении - выпячиваться. Поправки: 1) шкаловая. На инструментальные неточности.2) температурная. Для компенсации упругих св-в коробки и пружины, при изменении температуры окружающей среды.3) добавочная. Для компенсации постепенных изменений внутренней структуры металла, пружины и коробки.

Гипсотермометр Измерение атмосферного давления основано на зависимости температуры кипения жидкости от атмосферного давления. Состоит из специального кипятильника и термометра. Кипятильник представляет собой металлический сосуд, заполненный дистиллированной водой. Сверху располаг ается металлическая трубка с двойными стенками, термометр помещается внутрь этой трубки и омывается парами кипящей воды. Воду в кипятильнике нагревают с помощью спиртовки.

Приборы для измерения атмосферного давления называются барометрами. Давление определяется весом столба атмосферного воздуха, давящего на данный участок поверхности Земли. Поскольку на больших высотах над уровнем моря, например, на вершине горы, слой вышележащего воздуха тоньше, атмосферное давление уменьшается с высотой. Атмосферное давление также изменяется при перемещении воздушных масс, образующих холодные и теплые атмосферные фронты. Поэтому можно предсказывать погоду по показаниям барометра.

В настоящее время применяются два основных типа барометров: ртутные и анероиды. В ртутном барометре, изобретенном в 1643 году итальянским ученым Эванжелиста Торричелли (Evangelista Torricelli), основным элементом является стеклянная трубка, заполненная ртутью, столбик которой поднимается и опускается по мере того, как атмосферное давление увеличивается или уменьшается. Барометр-анероид, похожий на тот, что показан на рисунке справа, был изобретен в 1843 году французским ученым Люсьеном Види (Lucien Vidie). Основной частью анероида является небольшая гофрированная металлическая мембранная коробка, из которой практически полностью выкачан воздух (схема внизу). При изменении атмосферного давления мембранная коробка расширяется или сжимается. Чувствительный механизм преобразует перемещение мембран в круговое движение стрелки, показывающей величину давления на шкале прибора.

Внутреннее устройство барометра-анероида

Серия рычагов внутри барометра усиливает небольшие перемещения при расширении и сжатии мембранной коробки. Большинство барометров-анероидов имеет менее 20 см в поперечнике.

(Рисунок вверху статьи)

Тонкое пишущее перо барографа осуществляет непрерывную запись атмосферного давления на вращающемся барабане.

Изменение атмосферного давления заставляет ртуть в трубках подниматься или опускаться. Высота столбиков ртути зависит только от атмосферного давления, диаметр и форма трубок значения не имеют. На уровне моря столбик ртути поднимается на 760 миллиметров.

Два простых металлических полушария демонстрируют существование атмосферного давления. После того как из полушарий выкачан весь воздух и в них образовался вакуум, атмосферное давление делает невозможным их разъединение.

Атмосферный воздух имеет физическую плотность, вследствие чего притягивается к Земле и создает давление. В процессе развития планеты менялся как состав атмосферы, так и ее атмосферное давление. Живые организмы вынуждены были приспосабливаться к существующему давлению воздуха, меняя свои физиологические характеристики. Отклонения от среднего атмосферного давления вызывают изменения в самочувствии человека, при этом степень чувствительности людей к подобным изменениям разная.

Нормальное атмосферное давление

Воздух простирается от поверхности Земли до высот порядка сотен километров, за которыми начинается межпланетное пространство, при этом, чем ближе к Земле, тем более воздух сжат под действием собственного веса, соответственно атмосферное давление выше всего у земной поверхности, снижаясь с повышением высоты.

На уровне моря (от которого принято отсчитывать все высоты), при температуре +15 градусов Цельсия атмосферное давление составляет в среднем 760 миллиметров ртутного столба (мм рт. ст.). Это давление принято считать нормальным (с физической точки зрения), что вовсе не означает, что это давление комфортно для человека при любых условиях.

Атмосферное давление измеряется барометром, градуированным в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.), или в иных физических единицах, например, в паскалях (Па). 760 миллиметров ртутного столба соответствуют 101 325 паскалей, но в быту измерение атмосферного давления в паскалях или производных единицах (гектопаскалях) не прижилось.

Ранее атмосферное давление измерялось также в миллибарах, вышедших из употребления и замененных на гектопаскали. Норма атмосферного давления 760 мм рт. ст. соответствует норме атмосферного давления в 1013 мбар.

Давление 760 мм рт. ст. соответствует действию на каждый квадратный сантиметр тела человека силе 1,033 килограмма. Суммарно на всю поверхность тела человека воздух давит с силой порядка 15-20 тонн.

Но человек не чувствует этого давления, поскольку оно уравновешивается растворенными в тканевых жидкостях газами воздуха. Это равновесие нарушается при изменениях атмосферного давления, что человек воспринимает как ухудшение самочувствия.

Для отдельных местностей среднее значение атмосферного давления отличается от 760 мм. рт. ст. Так, если в Москве среднее давление составляет 760 мм рт. ст., то в Санкт-Петербурге всего 748 мм рт. ст.

Ночью атмосферное давление несколько выше дневного, а на полюсах Земли колебания атмосферного давления более выражены, чем в экваториальной зоне, что только подтверждает закономерность, что полярные регионы (Арктика и Антарктика) как среда обитания враждебны человеку.

В физике выводится так называемая барометрическая формула, согласно которой при увеличении высоты на каждый километр атмосферное давление падает на 13%. Реальное распределение давления воздуха следует барометрической формуле не вполне точно, поскольку в зависимости от высоты меняется температура, состав атмосферы, концентрация водяных паров и другие показатели.

Зависит атмосферное давление и от погоды, когда воздушные массы перемещаются из одной местности в другую. На атмосферное давление реагируют также все живое на Земле. Так, рыбаки знают, что норма атмосферного давления для рыбалки пониженная, поскольку при понижении давления хищная рыба предпочитает выйти на охоту.

Влияние на здоровье человека

Метеозависимые люди, а их на планете 4 миллиарда, чутко реагируют на изменения атмосферного давления, а некоторые из них могут достаточно точно предсказывать изменения погоды, руководствуясь своим самочувствием.

Ответить на вопрос, какая норма атмосферного давления наиболее оптимальна для мест пребывания и жизни человека, достаточно затруднительно, поскольку люди адаптируются к жизни в разных климатических условиях. Обычно давление в пределах от 750 до 765 мм рт. ст. не ухудшает самочувствия человека, эти значения атмосферного давления можно считать пределами нормы.

При перепадах атмосферного давления метеозависимые люди могут ощущать:

головную боль;
спазмы сосудов с нарушением кровообращения;
слабость и сонливость с повышенной утомляемостью;
боли в суставах;
головокружение;
чувство онемения в конечностях;
снижение частоты пульса;
тошноту и кишечные расстройства;
одышку;
понижение остроты зрения.

На изменение давления первым делом реагируют расположенные в полостях организма, суставах и кровеносных сосудах барорецепторы.

При перемене давления у метеочувствительных людей наблюдаются нарушения в работе сердца, тяжесть в груди, боли в суставах, а при проблемах с пищеварением еще и метеоризм и кишечные расстройства. При значительном понижении давления недостаток кислорода в клетках мозга ведет к головным болям.

Также изменения давления могут вести к нарушениям психического состояния - люди ощущают тревогу, раздражение, беспокойно спят либо, вообще, не могут уснуть.

Статистика подтверждает, что при резких изменениях атмосферного давления увеличивается количество правонарушений, аварий на транспорте и производстве. Прослеживается влияние атмосферного давления на артериальное. У гипертоников повышенное атмосферное давление может вызвать гипертонический криз с головной болью и тошнотой, при том, что в этот момент устанавливается ясная солнечная погода.

На понижение атмосферного давления, напротив, острее реагируют гипотоники. Пониженная концентрация кислорода в атмосфере вызывает у них нарушение кровообращения, мигрень, одышку, тахикардию и слабость.

Метеочувствительность может явиться следствием нездорового образа жизни. Привести к метеочувствительности или усугубить степень ее проявления могут следующие факторы:

низкая физическая активность;
неправильное питание с сопутствующим избыточным весом;
стрессы и постоянное нервное напряжение;
плохое состояние внешней среды.

Устранение этих факторов снижает степень метеочувствительности. Метеозависимым людям следует:

включить в рацион продукты с высоким содержанием витамина B6, магния и калия (овощи и фрукты, мед, молочнокислые продукты);
ограничить употребление мяса, соленой и жареной пищи, сладостей и пряностей;
отказаться от курения и употребления алкоголя;
увеличить физическую активность, совершать пешеходные прогулки на свежем воздухе;
упорядочить сон, спать не менее 7-8 часов.

В жизни мы часто сталкиваемся с ситуациями, когда возникает необходимость измерить давление: артериальное, атмосферное либо давление или газа в трубе. Давайте разберемся, что же это за физическая величина. И сразу же возникает следующий вопрос: а в чем измеряется давление? Оказывается, существует несколько видов единиц измерения, применяемых к этой физической величине. В этой статье мы разберем, в чем измеряется давление. Итак, приступим, рассмотрим каждую из таких единиц.

Официально признанной Международной системой СИ является единица Паскаль (Па), производные от нее - килопаскаль (кПа) и мегапаскаль (МПа). Один Паскаль равен следующему отношению: 1 Па = 1 Н/м 2 . Однако в различных отраслях используют разные Например, при определении производительности газа и расхода сжатого воздуха (в компрессорной технике) могут использоваться несколько совершенно разных единиц измерения.

Разберем, в чем измеряется и воздуха. Основной применяемой единицей является кубический метр в минуту времени (м 3 /мин). Часто можно встретить и такие единицы, как литр в минуту (л/мин) или атмосферное давление (атм), а в англоязычных странах могут использовать кубический фут в минуту - cubic foot perminute, или CFM. Давайте рассмотрим соотношение этих величин. 1 л/мин соответствует 0,001 м 3 /мин, а 1 CFM равен 28,3168 л/мин, или 0,02832 м 3 /мин. Соответственно, 1 м 3 /мин равен 35,314 CFM. Очень часто производительность приводят для всасывания либо для нормальных условий (1 атм при температуре 200 по Цельсию). В таком случае перед единицей измерения ставят литеру «н», что означает нормальные условия. Например, 10 нм 3 /мин.

Также для измерения давления могут применять такие единицы: мм рт. ст. (Торр) - миллиметр ртутного столба; атм. - физическая атмосфера; ат. - техническая атмосфера; бар. В может использоваться такая величина, как фунт на квадратный дюйм - PSI (pounds per square inch).

Рассмотрим соотношение основных единиц измерения давления: 1 мегапаскаль равен 10 бар или 7500,7 милимметров ртутного столба, либо 9,8692 физических атмосфер, 10,197 технических атмосфер, а также 145,04 PSI.

Вот мы и разобрали, в чем измеряется давление в различных направлениях техники. А какими же приборами принято измерять такие физические величины?

Эти механизмы классифицируют по виду измеряемого давления (например, атмосферное, избыточное либо разреженное, то есть вакуум), ну и, конечно же, по принципу действия (жидкостные, мембранные, электрические, пружинные и комбинированные). Самый главный параметр, которым характеризуется прибор для измерения давления воздуха - это Существует множество таких механизмов. Вот основные устройства, которые наиболее часто используются при измерении давления воздуха: