Атмосферное давление обозначается в миллиметрах ртутного столба, а также в Паскалях и гектопаскалях. Принятая норма атмосферного давления составляет 760 мм рт. ст. (что соответствует 1013,25 гПа).
Атмосферное давление. Урок 13
Земля осуществляет притяжение молекул воздуха к себе благодаря силе гравитации. Эти молекулы имеют физическую массу, что, в свою очередь, приводит к образованию давления — как внутри атмосферы, так и на её границе, взаимодействующей с разными объектами на поверхности планеты. Атмосферное давление представляет собой силу, с которой воздух воздействует на поверхность Земли и на все объекты, находящиеся на ней.
Атмосферное давление подвержено изменениям в зависимости от высоты, на которой оно измеряется, и ощущается влияние различных погодных условий, таких как температура воздуха и движение воздушных масс в вертикальной плоскости, известное как конвекция. Уровень атмосферного давления вблизи поверхности Земли обычно равен около 105 Па (в соответствии с международной системой единиц (СИ) давление обозначается в Паскалях, где русская аббревиатура «Па» соответствует международной «Pa»).
Так называемое нормальное атмосферное давление определяется как давление ртутного столба высотой 76 см с сечением 1 см2 на уровне моря на широте 45° при температуре 0°С. Данное давление равно 760 мм рт. ст., что в переводе соответствует 101325 Па, хотя часто для упрощения работы используют значение 100000 Па. Это значение соответствует 1 атмосфере (атм.).
Атмосферное давление традиционно принимается в миллиметрах ртутного столба; современные эквиваленты этой измерительной единицы — миллибары и гектопаскали. Один Паскаль является результатом давления, равного 1 Ньютону (Н), действующему на площадь 1 м2.
Интересно отметить, что среднее давление атмосферы на поверхности планеты Марс в 160 раз меньше, чем давление на поверхности Земли.
Как заметить атмосферное давление?
Хотя молекулы газа обладают невидимым и безцветным характером, они постоянно взаимодействуют с рецепторами нашей кожи, создавая сжатие со всех сторон вокруг всех объектов, находящихся в окружающей среде. Быстрое движение воздуха в горизонтальном направлении, обозначаемое как ветер, также может оказать значительное воздействие, например, сбить с ног. Подтвердить существование атмосферного давления можно посредством простых экспериментов.
Опыт 1 – «Непроливайка»
Для проведения первого опыта необходимо налить воду в стакан до краев. Затем накрываем стакан плотным листом бумаги и, удерживая его ладонью, быстро переворачиваем стакан кверху дном. Убираем ладонь, и, как результат, вода не выливается из стакана, поскольку атмосферное давление на бумагу оказывается больше силы тяжести, действующей на воду.
Объяснение: Использование выражения «на нас давит столб атмосферного воздуха», нередко встречающегося в учебниках, является некорректным. Эта формулировка предполагает аналогию с силой давления, которая действует со стороны твердых тел. Такие силы действительно действуют только на объекты, расположенные ниже них, не воздействуя на предметы, находящиеся сбоку или сверху. Однако в случае с газами или жидкостями ситуация иная. Согласно закону Паскаля, давление передается не только к точкам на дне сосуда, но также и к стенкам и крышке сосуда. Силы, действующие со стороны атмосферного и гидростатического давления, действуют перпендикулярно любым произвольно расположенным поверхностям, при этом могут иметь различные направления.
Давление воздуха, оказывающее влияние на бумагу снизу стакана с водой, служит ярким примером несостоятельности данной аналогии. Если же стакан заполнить водой лишь наполовину, оставшаяся часть воздуха внутри будет давить с такой же силой, как и наружный воздух, что приведет к тому, что бумага не сможет удерживать воду (и воздух) в стакане.
Опыт 2 – «Сухим из воды»
В этом опыте разместите на плоской тарелке монету или металлическую пуговицу и налейте воды. Монета окажется под водой, и нашей задачей станет выловить её без намокания рук.
Зажгите бумагу внутри сухого стакана и, когда воздух в нем нагреется, опрокиньте стакан на тарелку рядом с монетой, так чтобы монета не оказалась под стаканом. Ожидание большого времени не придется — бумага погаснет, как только воздух внутри стакана начнет остывать. При снижении температуры объем воздуха уменьшится, и в стакане возникнет разреженное пространство, в результате чего вода из тарелки будет втягиваться в стакан, обнажив дно.
Объяснение: Когда воздух в стакане нагревается, он расширяется, что происходит со всеми нагретыми телами, а избыток объема выходит из стакана. Как только оставшийся воздух начинает охлаждаться, его объем становится недостаточным для создания прежнего давления, чтобы компенсировать наружное атмосферное давление. В результате вода под стаканом оказывается под меньшим давлением, чем в открытой части тарелки, что приводит к тому, что она вгоняется внутрь стакана благодаря воздействию силы окружающего воздуха. Вода фактически втискивается атмосферным давлением!
По этой же теме можно ознакомиться с экспериментом из программы «Галилео».
Задача 5*. В запаянной трубке, удерживающей столбик ртути высотой 20 см, какое давление существует в верхней части данной трубки при атмосферном давлении в 760 мм рт. ст.? Ответ представьте в миллиметрах ртутного столба и гектопаскалях.
Принимайте g=9,8 м/с2.
Атмосферное давление
Как упоминалось ранее, атмосферное давление измеряется в миллиметрах ртутного столба, а также в Паскалях и гектоПаскалях. Нормальное значение давления принимается равным 760 мм рт. ст. (или 1013,25 гПа).
Атмосферное давление подвержено изменениям в зависимости от погоды. На практике, часто перед ухудшением погоды уровень давления падает, а перед улучшением, наоборот, он возрастает. Отслеживание изменений в давлениях способствует прогнозированию перемещения циклонов и направления ветров.
Изменения в атмосферном давлении, как правило, не влияют на самочувствие человека, который долгое время проживает в определенной местности. Однако, когда происходят резкие колебания атмосферного давления, даже у здоровых людей могут возникать такие симптомы, как головная боль, снижение работоспособности и чувство физической тяжести.
Кроме того, изменение атмосферного давления может существенно влиять на многие технологические процессы. Например, в нефтепереработке давление является одним из ключевых контролируемых параметров. В хлебобулочном производстве изменения давления могут напрямую влиять на влажность полуфабрикатов из теста. В авиационной промышленности атмосферное давление играет важнейшую роль, влияя на сроки эксплуатации и условия работы.
Приборы для измерения атмосферного давления
На сегодняшний день существуют разнообразные типы барометров, которые используются для измерения атмосферного давления:
- Ртутный сифонный барометр — это У-образная трубка, заполненная ртутью, с одним открытым и одним запаянным концом.
- Ртутный чашечный барометр — состоит из вертикальной трубки, заполненной ртутью, у которой верхний конец запаян, а нижний находится в специальной чашечке, наполненной ртутью.
- Барометр-анероид — представляет собой герметичную металлическую коробку с волнообразными стенками, из которой удалён воздух.
- Барограф — это самопишущий прибор, который используется для наблюдения за барометрическим давлением в определённые промежутки времени.
- Электронный барометр — цифровой прибор, который функционирует на основе обычного анероида или измеряет давление воздуха с использованием чувствительного кристаллического элемента.
Среди этих приборов ртутные барометры выделяются высокой точностью и надежностью по сравнению с анероидами, и обычно используются для калибровки работы других типов барометров. Высота давления в таких устройствах определяется по высоте ртутного столба. Метеорологические станции часто используют чашечные барометры для мониторинга атмосферного давления.
Изменения атмосферного давления на протяжении суток также зависят от температуры воздуха и амплитуд этих изменений. Годовые изменения атмосферного давления обусловлены сезонностью изменения температуры материков и океанов: летом на суше формируется область пониженного давления, в то время как над океаном возникает область повышенного давления.
На улице сегодня идет дождь. После завершения дождя наблюдается снижение температуры воздуха, увеличение влажности и снижение атмосферного давления. Атмосферное давление является одним из основных факторов, определяющих погодные условия и климатические изменения. Поэтому знание об атмосферном давлении является очень полезным для предсказания погоды. Владение умением измерять атмосферное давление имеет большое практическое значение, так как специальные приборы, такие как барометры, позволяют отслеживать изменения давления. В жидких барометрах при изменении погодных условий уровень жидкости либо повышается, либо понижается.
Знать об атмосферном давлении критически важно не только в метеорологии, но также в медицине, различных производственных процессах и в жизнедеятельности человека и всех живых организмов. Наблюдается прямая связь между изменениями атмосферного давления и изменениями в погодных условиях. Изменения в атмосферном давлении могут служить индикаторами предстоящих перемен в погоде, а также существенно влияют на общее состояние здоровья человека.
Некоторые из явлений, относящихся к этой теме, включают:
- Связь между атмосферным давлением и погодными условиями.
- Принципы, лежащие в основе работы приборов для измерения атмосферного давления.
- Зависимость давления жидкости от высоты столба жидкости в жидкостных барометрах.
Актуальность работы
Актуальность выбранной темы заключается в том, что на протяжении истории люди могли предсказывать изменения погоды, стихийные бедствия и предотвращать человеческие жертвы, используя свои наблюдения за поведением животных и природными явлениями.
Влияние атмосферного давления на организмы людей является неизбежным; резкие колебания атмосферного давления могут негативно сказываться на здоровье человека, особенно у людей с метеозависимостью. Хотя мы не в состоянии уменьшить воздействие атмосферного давления на здоровье, мы можем помочь своему организму. Организация дня с балансом задач и отдыха может быть оптимальной стратегией. Умение измерять атмосферное давление, знание народных примет и использование самодельных барометров могут оказать существенную помощь.
Цель работы: выяснить, какую роль атмосферное давление играет в повседневной жизни человека.
- Исследовать историю измерения атмосферного давления.
- Установить наличие связи между погодой и атмосферным давлением.
- Изучить различные типы приборов, разработанных человеком для измерения атмосферного давления.
- Исследовать физические явления, лежащие в основе работы приборов для измерения атмосферного давления.
- Выявить зависимость давления жидкости от высоты столба жидкости в жидкостных барометрах.
Методы исследования
Область исследования: атмосферное давление.
Гипотеза: атмосферное давление имеет важное значение для человека.
Значимость работы: материалы данной работы могут быть полезны в учебном процессе и во внеурочной деятельности, а также будут интересны одноклассникам, учащимся нашей школы и всем любителям исследовать природу.
План работы
I. Теоретическая часть (сбор информации):
Интересный факт: в тропических циклонах нередко можно наблюдать так называемый «глаз бури» — это область диаметром около 20 км в самом центре вихря, где устанавливается ясная и безветренная погода.
Классификация и виды
Существуют три основных типа барометров, каждый из которых использует различные принципы для определения атмосферного давления:
- Ртутный барометр. Он представляет собой вертикальную стеклянную трубку с откалиброванной шкалой. Верхний конец такой трубки запаян, в то время как другой конец помещен в небольшую чашу с ртутью. Ртутные барометры широко используются на уроках физики в учебных заведениях. Существует и менее точный аналог — водный барометр, который наполняется подкрашенной водой вместо ртути.
- Барометр-анероид. Этот тип прибора не содержит жидкостей и состоит из небольшой гибкой металлической коробки, именуемой анероидной капсулой, изготовленной из сплава бериллия и меди. Металлическая оболочка надёжно запечатана, а изменения атмосферного давления за ее пределами вызывает сжатие или расширение пружин внутри.
- Электронный барометр цифрового типа, который используется как в бытовых, так и в профессиональных метеостанциях. Он включает чувствительный узел, который сенсорно реагирует на изменения атмосферного давления.
Также существуют самодельные барометры, которые показывают данные, достаточные для практических наблюдений за погодой.
Назначение
Приборы для измерения атмосферного давления находят своё применение в повседневной жизни, на различных судах, во время астрономических наблюдений, на метеостанциях и везде, где информация о погоде может оказаться полезной, будь то из любопытства или по профессиональной необходимости. Такие прогнозы обычно справедливы на срок до 8–12 часов вперёд, или на следующий день.
С помощью барометров также можно определять высоту над уровнем моря, что часто является совместным применением с высотомерами, поскольку атмосферное давление изменяется с высотой. Часто такие приборы также имеют функцию измерения относительной влажности (вместе с гигрометром).
В горных районах атмосферное давление всегда будет ниже по сравнению с уровнем моря. Однако как чувствует себя человек в этом случае зависит от высоты и других условий. Например, при нормальной влажности подъём на 3000 метров может вызвать слабость и снижение работоспособности, что связано с недостатком кислорода.
Механические
Иногда их ещё называют барометрами с мембранной коробкой. Специальная герметичная полость заполняется воздухом, разреженным до определённого давления. Влияние атмосферного давления позволяет изменять размеры вакуумной коробки, хотя и в незначительной степени, что позволяет обойтись без жидкостей. Тем не менее, эти изменения весьма точно измеряются. Альтернативное название таких приборов — безжидкостный барометр или анероид.
Электронные
Использование электронных компонентов обеспечивает высокий уровень точности измерений. Основная часть всё равно работает по анероидной схеме, но показания трансформируются в электрические сигналы, которые далее обрабатываются встроенным микропроцессором. Множество современных моделей способны передавать собранные данные по сетевым каналам.
