Конспект по физике 7 класс параграф 42 + Ответы на вопросы. Краткое содержание § 42. ИЗМЕРЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ ОПЫТ ТОРРИЧЕЛЛИ по учебнику Пёрышкина (базовый уровень). Конспект по пунктам параграфа. Код материалов: Физика Конспект №42.
Вернуться к Списку конспектов
Конспект § 42. ИЗМЕРЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ ОПЫТ ТОРРИЧЕЛЛИ
§ 42 кратко (малый конспект)
Опыт Торричелли позволил впервые измерить атмосферное давление. Учёный использовал запаянную с одного конца стеклянную трубку длиной около 1 метра, заполненную ртутью, и опустил её открытым концом в сосуд с ртутью. После этого ртуть в трубке опустилась, создав над собой безвоздушное пространство (торричеллиеву пустоту), и установилась на высоте примерно 760 мм. Это показало, что атмосферное давление уравновешивается весом столба ртути такой высоты. Рассчитанное по формуле давления жидкости, оно составляет примерно 101 300 Па (1013 гПа). На основе этого опыта был создан ртутный барометр, а атмосферное давление стало измеряться также в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.). Человек не ощущает этого огромного давления, потому что оно уравновешивается внутренним давлением в его организме.
Большой конспект параграфа
Атмосферное давление нельзя рассчитать по простой формуле для жидкостей, так как плотность воздуха и гравитация меняются с высотой, а у атмосферы нет чёткой границы.
Измерить давление можно опытом с трубкой, заполненной жидкостью и опущенной в сосуд. Если трубку с водой перевернуть, вода не выльется, так как атмосферное давление на поверхность воды в сосуде уравновешивает давление столба жидкости в трубке.
Эванджелиста Торричелли провёл ключевой опыт, используя ртуть (жидкость с большей плотностью) в трубке высотой ~1 м. После опускания в сосуд часть ртути вылилась, оставив вверху безвоздушное пространство (торричеллиева пустота), а высота оставшегося столба установилась на уровне ~760 мм. Это показало, что атмосферное давление равно давлению этого ртутного столба.
Расчёт даёт значение: 760 мм рт. ст. ≈ 101 300 Па (1013 гПа).
На основе этого опыта был создан ртутный барометр, а миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.) стал единицей измерения давления. Человек не чувствует огромного давления (около 1000 Н на ладонь), потому что оно действует со всех сторон и уравновешивается внутренним давлением в организме.
Атмосферное давление критически важно для жизни и погоды: разность давлений вызывает ветры, а его распределение влияет на осадки и климатические явления.
История открытия атмосферного давления
После смерти Галилея Торричелли, став придворным математиком, столкнулся с вопросом инженеров: почему всасывающий насос поднимает воду лишь на ~10 метров. Он предположил, что воду поднимает давление атмосферы.
Для проверки Торричелли провёл опыт (1643 г.): заполнил ртутью метровую запаянную с одного конца трубку, опустил её открытым концом в чашу с ртутью и обнаружил, что ртутный столб остановился на высоте ~760 мм. Учёный сделал вывод, что и столб воды в 10 м, и столб ртути удерживаются давлением атмосферы. Он также заметил, что высота столба меняется с погодой, что указывает на изменение атмосферного давления.
Паскаль, узнав об этом, решил проверить гипотезу. Он рассудил, что на высоте давление должно быть меньше. В 1647 году его родственник Перье поднялся на гору Пюи-де-Дом и подтвердил, что ртутный столб на вершине действительно ниже. Это окончательно доказало существование и природу атмосферного давления.
Позже, в 1654 году, Отто Герике наглядно продемонстрировал силу атмосферного давления своим знаменитым опытом с магдебургскими полушариями: из двух сложенных полусфер выкачали воздух, и 16 лошадей едва смогли их разорвать.
Вопросы на стр.142
Вопрос 1 (стр. 142): Можно ли давление воздуха рассчитывать по формуле р = ρgh? Ответ обоснуйте.
Ответ: Нет, для атмосферы в целом эту формулу использовать нельзя. Формула p = ρgh справедлива для однородной несжимаемой жидкости постоянной плотности. Атмосфера же — это сжимаемый газ, плотность которого (ρ) и ускорение свободного падения (g) уменьшаются с высотой, и у неё нет чёткой верхней границы (h). Поэтому атмосферное давление рассчитывают иначе, а измеряют с помощью барометров.
Вопрос 2 (стр. 142): Опишите опыт, с помощью которого можно измерить атмосферное давление.
Ответ: Классический опыт по измерению атмосферного давления — это опыт Торричелли. Он заключается в следующем: длинную стеклянную трубку (около 1 метра), запаянную с одного конца, полностью заполняют ртутью. Затем, закрыв отверстие, трубку переворачивают и опускают открытым концом в чашу со ртутью. После этого ртуть в трубке опускается, создавая вверху безвоздушное пространство (торричеллиеву пустоту), и останавливается на определённой высоте (около 760 мм). Давление столба ртути в трубке и будет равно атмосферному давлению.
Вопрос 3 (стр. 142): Атмосферное давление равно 770 мм рт. ст. Что это означает?
Ответ: Это означает, что атмосферное давление в данный момент уравновешивается весом столба ртути высотой 770 миллиметров. Данная величина является одной из старейших единиц измерения давления. Нормальным атмосферным давлением на уровне моря считается 760 мм рт. ст., поэтому значение 770 мм рт. ст. указывает на повышенное, или антициклональное, давление.
Вопрос 4 (стр. 142): Какие единицы атмосферного давления вам известны?
Ответ: Наиболее известными единицами атмосферного давления являются: миллиметры ртутного столба (мм рт. ст.), паскали (Па) и гектопаскали (гПа), а также физические атмосферы (атм). В метеорологии чаще всего используются гектопаскали (1 гПа = 100 Па) и миллиметры ртутного столба, причём 760 мм рт. ст. ≈ 1013 гПа ≈ 101300 Па.
Вопрос: Используя знания из географии и материал параграфа, объясните, что представляет собой ветер. От чего зависит сила и направление ветра?
Ответ: Ветер — это горизонтальное движение воздуха относительно земной поверхности. Он возникает из-за разности атмосферного давления между разными областями: воздух перемещается из области высокого давления в область низкого. Сила ветра зависит от величины этой разности (барического градиента): чем она больше, тем сильнее ветер. Направление ветра зависит от распределения областей давления, но также отклоняется под действием силы Кориолиса (из-за вращения Земли) и силы трения о поверхность.
УПРАЖНЕНИЕ 25
Вопрос 1 (Упражнение 25): Столб воды какой высоты создаёт давление, равное 760 мм рт. ст.?
Ответ: Давление 760 мм рт. ст. (нормальное атмосферное давление) равно примерно 101325 Па. Поскольку давление столба жидкости рассчитывается как P = ρgh, для воды (ρ ≈ 1000 кг/м³) высота составит h = P / (ρg) ≈ 101325 / (1000 * 9.8) ≈ 10.3 метра. Таким образом, давление, равное 760 мм рт. ст., создаёт столб воды высотой примерно 10.3 м.
Вопрос 2 (Упражнение 25): Вычислите силу атмосферного давления на поршень шприца площадью 3 см2. Атмосферное давление равно 100 кПа.
Дано: S = 3 см² = 0.0003 м²; p = 100 кПа = 100 000 Па.
Найти: F — ?
Решение: Сила давления вычисляется по формуле F = p * S.
F = 100 000 Па * 0.0003 м² = 30 Н.
Ответ: Сила атмосферного давления на поршень равна 30 Ньютонам.
Вопрос 3 (Упражнение 25): Выразите в гектопаскалях давление: 1 мм рт. ст.; 730 мм рт. ст.; 770 мм рт. ст.
Ответ: Известно, что 1 мм рт. ст. ≈ 133.3 Па = 1.333 гПа.
Следовательно:
1 мм рт. ст. ≈ 1.33 гПа
730 мм рт. ст. ≈ 730 • 1.333 гПа ≈ 973 гПа
770 мм рт. ст. ≈ 770 • 1.333 гПа ≈ 1027 гПа
Вопрос 4 (Упражнение 25): * Площадь дна кастрюли 1000 см². Какое давление будет испытывать дно открытой кастрюли, если в неё налить 3 кг воды?
Дано: S = 1000 см² = 0.1 м²; m = 3 кг; ρ(воды) = 1000 кг/м³; g ≈ 9.8 Н/кг.
Найти: p — ?
Решение:
1. Найдём силу давления воды на дно (её вес): F = m g = 3 кг 9.8 Н/кг = 29.4 Н.
2. Давление на дно: p = F / S = 29.4 Н / 0.1 м² = 294 Па.
Ответ: Дно кастрюли будет испытывать давление, равное 294 Па.
(Важно отметить, что это давление только от столба воды. Так как кастрюля открыта, на воду действует атмосферное давление, которое передаётся на дно по закону Паскаля, но в задаче, видимо, требуется найти именно избыточное давление, создаваемое самим весом воды).
ЗАДАНИЕ 31
Вопрос 1 (Задание 31): Если стакан с водой накрыть листом бумаги и, придерживая бумагу рукой, перевернуть, то бумага не отпадает после того, как рука убрана, и вода не вытекает. Почему?
Ответ: Бумага удерживается и вода не выливается из-за того, что атмосферное давление, действующее на бумагу снизу, превышает давление столба воды в стакане сверху. Внутри перевёрнутого стакана над водой создаётся разрежение или область пониженного давления, поэтому внешнее атмосферное давление прижимает бумагу к краям стакана, не давая ей упасть и воде вытечь.
Вопрос 2 (Задание 31): * В мелкую тарелку положили монету и налили воду, чтобы она лишь прикрывала монету. Используя рисунок 135, придумайте, как достать монету, не замочив рук.
Ответ: Для этого нужно взять сухой стакан, перевернуть его и нагреть (например, пламенем), чтобы воздух внутри расширился. Затем быстро накрыть этим стаканом монету в тарелке. По мере остывания воздух в стакане сожмётся, его давление упадёт, и атмосферное давление снаружи вытеснит воду из-под стакана в тарелку. Вода отступит, и монета окажется на сухом дне под стаканом, откуда её можно будет взять, не замочив рук.
Вопросы на стр.144
Вопрос 1 (стр. 144): Как, используя результаты опыта Торричелли, оценить массу земной атмосферы? Вычислите приблизительно эту массу.
Ответ: Опыт Торричелли показал, что атмосферное давление уравновешивается весом столба ртути высотой около 760 мм. Это означает, что вес всей атмосферы равен весу ртутного столба такой же площади, что и поверхность Земли. Для оценки массы атмосферы нужно умножить нормальное атмосферное давление (~101325 Па) на площадь поверхности Земли (~5.1×10¹⁴ м²) и разделить на ускорение свободного падения (~9.8 м/с²). Приблизительный расчёт даёт значение около 5.2×10¹⁸ кг, что соответствует современным научным данным.
Вопрос 2 (стр. 144): Как объяснить результат опыта с магдебургскими полушариями?
Ответ: Результат опыта объясняется действием атмосферного давления. Когда из полости между двумя плотно пригнанными полушариями откачали воздух, внутри создалось разрежение. Снаружи на полушария действовало огромное давление атмосферы (около 100 кПа), которое с огромной силой прижимало их друг к другу. Чтобы разъединить полушария, потребовалось приложить силу, превышающую эту силу атмосферного давления, что и продемонстрировали 16 лошадей.
Вы смотрели: конспект по физике к учебнику 7 класса §42. ИЗМЕРЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ ОПЫТ ТОРРИЧЕЛЛИ. Краткое содержание темы учебника. Ответы на вопросы в конце параграфа. Код материалов: Физика Конспект №42.