§ 44. Измерение атмосферного давления. Опыт Торричелли
Рассчитать атмосферное давление по формуле для вычисления давления столба жидкости (§ 39) нельзя. Для такого расчёта надо знать высоту атмосферы и плотность воздуха. Но определённой границы у атмосферы нет, а плотность воздуха на разной высоте различна. Однако измерить атмосферное давление можно с помощью опыта, предложенного в XVII в. итальянским учёным Эванджелиста Торричелли, учеником Галилея.
Опыт Торричелли состоит в следующем: стеклянную трубку длиной около 1 м, запаянную с одного конца, наполняют ртутью. Затем, плотно закрыв другой конец трубки, её переворачивают, опускают в чашку с ртутью и под ртутью открывают конец трубки (рис. 130). Часть ртути при этом выливается в чашку, а часть её остаётся в трубке. Высота столба ртути, оставшейся в трубке, равна примерно 760 мм. Над ртутью в трубке воздуха нет, там безвоздушное пространство.
Торричелли, предложивший описанный выше опыт, дал и его объяснение. Атмосфера давит на поверхность ртути в чашке. Ртуть находится в равновесии. Значит, давление в трубке на уровне ааг (см. рис. 130) равно атмосферному давлению. Если бы оно было больше атмосферного, то ртуть выливалась бы из трубки в чашку, а если меньше, то поднималась бы в трубке вверх.
Давление в трубке на уровне аа1 создаётся весом столба ртути в трубке, так как в верхней части трубки над ртутью воздуха нет. Отсюда следует, что атмосферное давление равно давлению столба ртути в трубке, т. е.
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 измерять высотой ртутного столба (в миллиметрах или сантиметрах). 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.
Следовательно, в этом случае за единицу атмосферного давления принимают 1 миллиметр ртутного столба (1 мм рт. ст.). Найдём соотношение между этой единицей и известной нам единицей давления — паскалем (Па).
Давление столба ртути ρртути высотой 1 мм равно
р= 9,8 H/кг • 13 600 кг/м3 • 0,001=133,3 Па
Итак, 1 мм рт. ст. = 133,3 Па.
В настоящее время атмосферное давление принято измерять и в гектопаскалях. Например, в сводках погоды может быть объявлено, что давление равно 1013 гПа, это то же самое, что 760 мм рт. ст.
Наблюдая ежедневно за высотой ртутного столба в трубке, Торричелли обнаружил, что эта высота меняется, т. е. атмосферное давление непостоянно, оно может увеличиваться и уменьшаться. Торричелли заметил также, что изменения атмосферного давления связаны с изменением погоды.
Если к трубке с ртутью, использовавшейся в опыте Торричелли, прикрепить вертикальную шкалу, то получится простейший прибор — ртутный барометр (от греч. барос — тяжесть, метпрео — измеряю). Он служит для измерения атмосферного давления.
Вопросы
1. Почему нельзя рассчитывать давление воздуха так же, как рассчитывают давление жидкости на дно или стенки сосуда?
2. Объясните, как с помощью трубки Торричелли можно измерить атмосферное давление.
3. Что означает запись: «Атмосферное давление равно 780 мм рт. ст.»?
4 Скольким гектопаскалям равно давление ртутного столба высотой 1 мм?
Упражнение 21
1. На рисунке 131 изображён водяной барометр, созданный Паскалем в 1646 г. Какой высоты был столб воды в этом барометре при атмосферном давлении, равном 760 мм рт. ст.?
2. В 1654 г. Отто Герике в г. Магдебурге, чтобы доказать существование атмосферного давления, провёл такой опыт. Он выкачал воздух из полости между двумя металлическими полушариями, сложенными вместе. Давление атмосферы так сильно прижало полушария друг к другу, что их не могли разорвать восемь пар лошадей (рис. 132). Вычислите силу, сжимающую полушария, если считать, что она действует на площадь, равную 2800 см2, а атмосферное давление равно 760 мм рт. ст.
3. Из трубки длиной 1 м, запаянной с одного конца и с краном на другом конце, выкачали воздух. Поместив конец с краном в ртуть, открыли кран. Заполнит ли ртуть всю трубку? Если вместо ртути взять воду, заполнит ли она всю трубку?
4. Выразите в гектопаскалях давление, равное: 740 мм рт. ст.; 780 мм рт. ст.
5. Рассмотрите рисунок 130. Ответьте на вопросы.
а) Почему для уравновешивания давления атмосферы, высота которой достигает десятков тысяч километров, достаточно столба ртути высотой около 760 мм?
б) Сила атмосферного давления действует на ртуть, находящуюся в чашке, сверху вниз. Почему же атмосферное давление удерживает столб ртути в трубке?
в) Как повлияло бы наличие воздуха в трубке над ртутью на показания ртутного барометра?
г) Изменится ли показание барометра, если трубку наклонить; опустить глубже в чашку со ртутью?
Задание
1. Погрузите стакан в воду, переверните его под водой вверх дном и затем медленно вытаскивайте из воды. Почему, пока края стакана находятся под водой, вода остаётся в стакане (не выливается)?
2. Налейте в стакан воды, закройте листом бумаги и, поддерживая лист рукой, переверните стакан вверх дном. Если теперь отнять руку от бумаги (рис. 133), то вода из стакана не выльется. Бумага остаётся как бы приклеенной к краю стакана. Почему? Ответ обоснуйте.
3. Положите на стол длинную деревянную линейку так, чтобы её конец выходил за край стола. Сверху застелите стол газетой, разгладьте газету руками, чтобы она плотно лежала на столе и линейке. Резко ударьте по свободному концу линейки — газета не поднимется, а прорвётся. Объясните наблюдаемые явления.
Источник
Опыт торричелли с водой
1. Почему нельзя рассчитывать давление воздуха по формуле?
Рассчитать атмосферное давление по формуле для вычисления давления столба жидкости нельзя.
Ведь точной границы у атмосферы нет (т.е. высота столба воздуха неизвестна), да и плотность воздуха с высотой меняется.
2. Как Торричелли измерил атмосферное давление?
В 17 веке итальянский ученый Эванджелиста Торричелли сумел иззмерить атмосферное давление.
Торричелли взял стеклянную трубку длиной около 1 м, запаянную с одного конца и наполнил ее ртутью.
Закрыл открытый конец трубки пальцем, перевернул ее и опустил этот конец трубки в чашку с ртутью.
Под поверхностью ртути он убрал палец с трубки.
Часть ртути из трубки вылилась в чашку, а часть осталась.
Высота столба ртути, оставшейся в трубке, была равна 760 мм.
Как это объяснить?
В перевернутой трубке над ртутью воздуха нет — безвоздушное пространство.
Давление воздуха на ртуть в чашке равно атмосферному давлению.
Давление в трубке на уровне аа1 создается только лишь весом столба ртути в трубке, так как в верхней части трубки над ртутью воздуха нет.
Таким образом давление столба ртути в трубке уравновешивается атмосферном давлением.
р атм = р ртути
Если измерить высоту столба ртути в трубке, то можно рассчитать давление, которое производит столб ртути в трубке.
Оно будет равно атмосферному давлению.
3. Как устроен прибор для измерения атмосферного давления?
Если к трубке с ртутью Торричелли, прикрепить шкалу, то получится ртутный барометр — прибор для измерения атмосферного давления.
При изменении атмосферного давления в природе высота столба ртути в трубке барометра будет меняться.
Если атмосферное давление уменьшится, то столб ртути в трубке Торричелли понизится.
Если атмосферное давление увеличится, то столб ртути в трубке Торричелли повысится.
То есть внешнее атмосферное давление регулирует высоту столба ртути в трубке.
4. Почему для уравновешивания давления атмосферы, высотой в десятков тысяч километров, достаточно столба ртути высотой всего 760 мм?
Плотность ртути очень велика по сравнению с плотностью воздуха.
В результате столб ртути высотой 760 мм создает такое же по величине давление, что и атмосфера Земли.
5. Почему атмосферное давление удерживает столб ртути в трубке, хотя действует на ртуть в чашке сверху вниз?
Ртуть — жидкость, а для жидкости действует закон Паскаля:
Жидкость передает оказываемое на нее давление одинаково во все точки жидкости и по всем направлениям.
Поэтому давление, равное атмосферному, подпирает столб ртути в трубке снизу.
6. Работал бы барометр, если бы верхний конец трубки был открыт?
Нет!
Тогда и на столб ртути в трубке, и на поверхность ртути в чашке действовало бы одинаковое атмосферное давление.
И под действием силы тяжести ртуть полностью выливалась бы из трубки в чашку.
7. Изменится ли высота столба ртути в барометре, если трубку опустить глубже в чашку со ртутью?
Нет!
А как это объяснить?
Рассмотрим левую трубку (на рисунке точка А находится на уровне нижнего края трубки).
На нижний край опущенной в ртуть трубки снизу вверх действует сумма давлений:
наружное атмосферное давление воздуха + весовое давление слоя воды над точкой А (оба давления по закону Паскаля передаются в любую точку жидкости во всех направлениях).
Давление ртути внутри трубки сверху вниз на уровне нижнего края — тоже сумма давлений:
давление «подводного » столба ртути в трубке + давление «надводного» столба ртути в трубке.
Весовое давление слоя воды над точкой А = давлению «подводного» столба ртути в трубке, так как у них одинаковая высота h1.
Эти давления при любой глубине погружения трубки уравновешивают друг друга, и их можно не учитывать.
Вывод:
Погружай — не погружай, только величина атмосферного давления будет влиять на высоту столба ртути в трубке барометра над ртутной поверхностью чашки!
8. Изменится ли показание барометра, если трубку барометра наклонить?
Если считать, что шкала барометра прикреплена к трубке и наклоняется вместе с ней, то показание барометра изменится!
А если шкала как была вертикальна, так и осталась, а трубка наклоняется отдельно, то не изменится!
В любом случае расстояние от уровня поверхности ртути в чашке до верхнего края ртути в наклоненной трубке останется прежним.
Почему?
При расчете давления, создаваемого наклонным столбом жидкости, можно мысленно разделить его на части.
По формуле подсчитать весовые давления, созданные отдельными слоями.
Применить закон Паскаля и прийти к выводу, что для расчета общего давления жидкости в наклонной трубке требуется не длина этой трубки, а расстояние между верхним и нижним уровнем жидкости.
9. В каких единицах измеряют атмосферное давление?
С помощью ртутного барометра можно измерять атмосферное давление высотой ртутного столба.
Тогда за единицу атмосферного давления можно принять 1 миллиметр ртутного столба (1 мм рт. ст.).
Но в системе СИ за единицу давления принят 1 Па (Паскаль).
Соотношение между этими единицами таково:
Давление столба ртути высотой 1 мм равно:
1 мм рт. ст. = 133,3 Па.
В сводках погоды сообщают, что атмосферное давление равно 760 мм рт.ст., это то же самое, что 1013 гПа (гектоПаскалей).
Изменения атмосферного давления связаны с изменением погоды, оно непостоянно, может увеличиваться и уменьшаться.
10. Водяной барометр Паскаля
В барометре Торричелли исползовалась ртуть.
Такие барометры, в которых исползуется жидкость, назвали жидкостными барометрами.
В 1646 году Блез Паскаль построил водяной барометр.
Так как вода имеет значительно меньшую плотность, Паскалю пришлось взять для своего барометра более длинную трубку.
Для того, чтобы показать атмосферное давление 760 мм рт. ст. трубка должна была иметь длину не менее 10,3 метра?
11. Что доказывает опыт Отто Герике?
В 1654 г. Отто Герике в г. Магдебурге с помощью своего знаменитого опыта подтвердил существование атмосферного давления.
Он выкачал воздух из полости между двумя сложенными вместе металлическими полушариями.
Атмосферное давление так сильно прижало полушария друг к другу, что их не могли разорвать восемь пар лошадей.
Источник
Опыт торричелли с водой
Понятие атмосферного давления
Земля окружена воздушной оболочкой, состоящей из смеси газов. Эта оболочка называется атмосферой. Каждый горизонтальный слой атмосферы сжат весом более верхних слоёв. Поэтому давление в нижних слоях атмосферы больше, чем в верхних. При этом и плотность воздуха в нижних слоях значительно больше, чем в верхних. Это связано с тем, что газы под воздействием давления могут сильно уменьшить свой объём. Жидкости же обладают очень малой сжимаемостью и практически не изменяют своей плотности даже при больших давлениях. Атмосферное давление на уровне моря равно примерно 10 5 Па 10^5\;\mathrm <Па>, т. е. 100000 Па 100000\;\mathrm <Па>. Это желательно помнить. С увеличением высоты над уровнем моря атмосферное давление уменьшается. На высоте примерно в 5,5 км 5,5\;\mathrm <км>оно уменьшается вдвое.
Значение атмосферного давления впервые определил экспериментально в 1634 г. итальянский учёный Торричелли, создав простейший ртутный барометр. Опыт Торричелли состоит в следующем. Стеклянная трубка длиной около метра, запаянная с одного конца, заполняется полностью ртутью. Затем, закрыв отверстие трубки, её переворачивают и погружают открытым концом в чашу со ртутью (см. рис.).
Часть ртути из трубки выливается, и в ней остаётся столб ртути высотой `H`. Давление в трубке над ртутью равно нулю (если пренебречь ничтожным давлением паров ртути), так как там — пустота (вакуум): `P_C = 0`. Давление `P_B` в точке `B` равно давлению `P_A` в точке `A`, поскольку в сообщающихся сосудах — чаше и трубке — точки `A` и `B` находятся на одном уровне. Давление `P_A` равно атмосферному давлению $$
_<\mathrm<атм>>$$. Поэтому $$
_=
_<\mathrm<атм>>$$. Разность давлений `P_B — P_C = rho gH`, где `rho` — плотность ртути. Так как $$
_=
_<\mathrm<атм>>$$ и `P_C = 0`, то $$
_<\mathrm<атм>> =\rho gH$$. Измерив `H` и зная `rho`, можно определить атмосферное давление в условиях опыта. Торричелли нашёл, что для уровня моря H = 760 мм H=760\;\mathrm <мм>.
В опыте Торричелли каждому значению `H` соответствует определённое значение $$
_<\mathrm<атм>>$$. Следовательно, атмосферное давление можно измерять в миллиметрах ртутного столба. Эта единица давления получила специальное название «Торр»: `1`Торр `= 1` мм. рт.ст. При этом высота столба ртути берётся той, которую он имел бы при `0^@»C»`. Атмосферное давление в `760` Торр называется нормальным атмосферным давлением. Значение этого давления называется нормальной (физической) атмосферой и обозначается 1 атм 1\;\mathrm <атм>. Зная плотность ртути ρ = 13595 кг / м 3 \rho=13595\;\mathrm<кг>/\mathrm м^3 , находим по формуле $$
_<\mathrm<атм>>=\rho gH$$:
Умножим равенство $$
_<\mathrm<атм>>=\rho gH$$ на площадь `S` внутреннего сечения трубки: $$
_<\mathrm<атм>>S=\rho gHS$$. Заметим, что последнее равенство можно получить и непосредственно, записав условие равновесия столба `BC` ртути (рис. 6). Произведение $$
_<\mathrm<атм>>S$$ равно силе давления `F` на столб ртути `BC` снизу, вызванное наличием атмосферного давления, а `rho gHS` есть вес столба `BC` ртути в трубке. Поэтому говорят, что в опыте Торричелли давление, создаваемое весом столба ртути, уравновешивается атмосферным давлением.
Поскольку плотность воздуха намного меньше плотности воды, изменением атмосферного давления, связанным с перепадом высоты в несколько метров, можно в ряде случаев пренебречь по сравнению с гидростатическим давлением воды, вызванным таким же перепадом высоты.
Источник
