Обуславливается весом воздуха. 1 м³ воздуха весит 1,033 кг. На каждый метр поверхности земли приходится давление воздуха силой 10033 кг. Под этим подразумевается столб воздуха высотой от уровня моря до верхних слоев атмосферы. Если сравнить его со столбом воды, то диаметр последнего имел бы высоту всего 10 метров. То есть, атмосферное давление создается собственной массой воздуха. Величина атмосферного давления на единицу площади соответствует массе воздушного столба, находящегося над нею. В результате увеличения воздуха в этом столбе происходит рост давления, а при уменьшении воздуха - падение. Нормальным атмосферным давлением считается давление воздуха при t 0°С на уровне моря на широте 45°. В этом случае атмосфера давит с силой 1,033 кг на каждый 1 см² площади земли. Масса этого воздуха уравновешивается ртутным столбиком высотой 760 мм. На этой взаимосвязи и измеряется атмосферное давление. Оно измеряется в миллиметрах ртутного столба или миллибарах(мб), а так же в гектопаскалях. 1мб = 0,75 мм рт.ст., 1 гПа = 1 мм.

Измерение атмосферного давления.

измеряется с помощью барометров. Они бывают двух типов.

1. Ртутный барометр представляет собой стеклянную трубку, которая запаяна сверху, а открытым концом погружена в металлическую чашу с ртутью. Рядом с трубкой крепится шкала, показывающая изменение давления. На ртуть действует давление воздуха, которое своим весом уравновешивает столбик ртути в стеклянной трубке. Высота ртутного столба меняется при изменении давления.

2. Металлический барометр или анероид представляет собой гофрированную металлическую коробку, которая герметично закрыта. Внутри этой коробки находится разреженный воздух. Изменение давления заставляет колебаться стенки коробки, вдавливаясь или выпячиваясь. Эти колебания системой рычагов заставляют стрелку перемещаться по шкале с делениями.

Самопишущие барометры или барографы предназначены для записи изменений атмосферного давления . Перо улавливает колебание стенок анероидной коробки и чертит линию на ленте барабана, который вращается вокруг своей оси.

Каким бывает атмосферное давление.

Атмосферное давление на земном шаре изменяется в широких пределах. Его минимальная величина - 641,3 мм рт.ст или 854 мб была зарегистрирована над Тихим океаном в урагане "Ненси", а максимальная - 815,85 мм рт.ст. или 1087 мб в Туруханске зимой.

Давление воздуха на земную поверхность изменяется с высотой. Среднее значение атмосферного давления над уровнем моря - 1013 мб или 760 мм рт.ст. Чем больше высота, тем меньше атмосферное давление, так как воздух становится все более разреженным. В нижнем слое тропосферы до высоты 10 м оно снижается на 1 мм рт.ст. на каждые 10 м или на 1 мб на каждые 8 метров. На высоте 5 км оно меньше в 2 раза, 15 км - в 8 раз, 20 км - в 18 раз.

В связи с перемещением воздуха, изменением температуры, сменой времени года атмосферное давление постоянно меняется. Дважды за сутки, утром и вечером, оно повышается и столько же раз понижается, после полуночи и после полудня. В течение года из-за холодного и уплотненного воздуха зимой атмосферное давление имеет максимальную величину, а летом - минимальную.

Постоянно меняется и распределяется по поверхности земли зонально. Это происходит из-за неравномерного прогревания Солнцем земной поверхности. На изменение давления влияет перемещение воздуха. Там, где воздуха становится больше, давление высокое, а там, откуда воздух уходит - низкое. Воздух, прогревшись от поверхности, поднимается вверх и давление на поверхность понижается. На высоте воздух начинает охлаждаться, уплотняется и опускается на близлежащие холодные участки. Там возрастает атмосферное давление. Следовательно, изменение давления обуславливается перемещением воздуха в результате его нагревания и охлаждения от земной поверхности.

Атмосферное давление в экваториальной зоне постоянно понижено, а в тропических широтах - повышено. Это происходит из-за постоянно высоких температур воздуха на экваторе. Нагретый воздух поднимается и уходит в сторону тропиков. В Арктике и Антарктике поверхность земли всегда холодная, а атмосферное давление повышено. Его обуславливает воздух, который приходит из умеренных широт. В свою очередь в умеренных широтах из-за оттока воздуха формируется зона пониженного давления. Таким образом, на Земле существуют два пояса атмосферного давления - пониженный и повышенный. Пониженный на экваторе и в двух умеренных широтах. Повышенный на двух тропических и двух полярных. Они могут немного смещаться в зависимости от времени года вслед за Солнцем в сторону летнего полушария.

Полярные пояса высокого давления существуют весь год, однако, летом они сокращаются, а зимой, наоборот, расширяются. Круглый год области пониженного давления сохраняются близ Экватора и в южном полушарии в умеренных широтах. В северном полушарии все происходит по-другому. В умеренных широтах северного полушария давление над материками сильно повышается и поле низкого давления как бы "разрывается": сохраняется оно только над океанами в виде замкнутых областей пониженного атмосферного давления - Исландского и Алеутского минимумов. Над материками, где заметно повысилось давление, образуются зимние максимумы: Азиатский (Сибирский) и Северо-Американский (Канадский). Летом поле пониженного давления в умеренных широтах северного полушария восстанавливается. При этом над Азией формируется обширная область пониженного давления. Это - Азиатский минимум.

В поясе повышенного атмосферного давления - тропиках - материки нагреваются сильнее океанов и давление над ними ниже. Из-за этого над океанами выделяют субтропические максимумы:

• Северо-Атлантический (Азорский);
• Южно-Атлантический;
• Южно-Тихоокеанский;
• Индийский.

Несмотря на крупномасштабные сезонные изменения своих показателей, пояса пониженного и повышенного атмосферного давления Земли - образования довольно устойчивые.

Как измерить атмосферное давление?

Опыт Торричелли. В 1643 году по предложению итальянского физика Эванжелиста Торричелли (1608–1647) был произведён следующий опыт. Стеклянную трубку длиной около 1 м, запаянную с одного конца, наполняют ртутью. Отверстие трубки закрывают пальцем, чтобы ртуть не вылилась, и трубку опускают в вертикальном положении отверстием вниз в сосуд с ртутью. Если теперь отнять па­лец от отверстия, то столб ртути упадёт до высоты около 760 мм над уровнем ртути в сосуде (рис. 28.6).

Почему же вся ртуть не вылилась из трубки? Поскольку НАД ртутью в трубке так называемая торричеллиева пустота, то есть вакуум, то давление столба ртути уравновешивается атмосферным давлением, которое действует на открытую поверхность ртути.

Читатель: ...Меня немного смущает тот факт, что атмосферный «столб» давит сверху вниз, и ртутный столб тоже давит сверху вниз. Как же они при этом уравновешивают друг друга? Вот если бы они действовали в противоположные стороны, тогда понятно.

В две смежные труб­ки, широкую и узкую (рис. 28.7), налита жидкость. В широкую трубку вставлен поршень, плотно прилегающий к её стенкам. Если на­чать давить на поршень сверху вниз, то вода в узкой трубке начнёт подниматься, точно так же, как ртуть в опыте Торричелли. При этом давление столба воды в узкой трубке уравновесит давление, создаваемое силой в широкой трубке.

Замечу, что опыт Торричелли вызывает некоторое недоумение потому, что твёрдые тела не обладают свойством жид­кости передавать оказываемое на них давление во все точки одинаково. Если в опыте, показанном на рис. 28.7, вместо жидкости насыпать в трубки песок, то ничего не получится: песок не будет подниматься в узкой трубке, какое бы давление мы ни прикладывали в широкой трубке.

Вернёмся к опыту Торричелли. Итак, давление столба ртути должно быть таким, чтобы уравновесить атмосферное давление. По­этому высота столба ртути позволяет нам судить о величине атмос­ферного давления, и даже измерять его непосредственно в милли­метрах ртутного столба (мм рт. ст.).

Опыт показывает, что при 0° С на уровне моря атмосферное давление составляет около 760 мм рт. ст. Это давление называется нормальным атмосферным давлением. Прибор, позволяющий измерять атмосферное давление таким способом, называется ртутным барометром (рис. 28.8).

СТОП! Решите самостоятельно: В11–В15, С10–С12.

Задача 28.3 . Измерения, произведенные советской автоматической станцией «Венера-7», показали, что атмосферное давление у поверхности планеты составляет около 10,3 МПа. Сила тяжести на Венере почти в 1,2 раза меньше, чем на Земле. Какова была бы высота ртутного столба в опыте Торричелли, проведенном на Венере?

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

Атмосферным давлением называют силу, с которой окружающий нас воздух давит на земную поверхность. Первым, кто смог его измерить, был ученик Галилео Галилея Эванжелиста Торричелли. В 1643 году вместе со своим коллегой Винченцо Вивиани он провёл простой опыт.

Опыт Торричелли

Как он смог определить атмосферное давление? Взяв метровую трубку, запаянную с одного конца, Торричелли налил в неё ртуть, закрыл пальцем отверстие и, перевернув, опустил в чашу, также наполненную ртутью. При этом часть ртути вылилась из трубки. Ртутный столбик остановился на отметке 760 мм. от уровня поверхности ртути в чаше.

Интересно, что результат опыта не зависел от диаметра, наклона и даже формы трубки - ртуть всегда останавливалась на одном уровне. Впрочем, если погода вдруг менялась (и атмосферное давление падало или повышалось), столбик ртути опускался или поднимался на несколько миллиметров.

С тех пор атмосферное давление измеряют в миллиметрах ртутного столба, а давление 760 мм. рт. ст. считают равным 1 атмосфере и называют нормальным давлением. Так был создан первый барометр - прибор для измерения атмосферного давления.

Другие способы измерения атмосферного давления

Ртуть - не единственная жидкость, которую можно использовать для измерения атмосферного давления. Многие учёные в разное время сооружали водяные барометры, но поскольку вода намного легче ртути, их трубки поднимались на высоту до 10 м. К тому же, вода уже при 0°С превращалась в лёд, что создавало определённые неудобства.

Современные ртутные барометры используют принцип Торричелли, но устроены несколько сложнее. Например, сифонный барометр представляет собой длинную стеклянную трубку, изогнутую в сифон и наполненную ртутью. Длинный конец трубки запаян, короткий открыт. На открытой поверхности ртути плавает небольшой грузик, уравновешенный противовесом. При изменении атмосферного давления ртуть движется, увлекая за собой поплавок, а тот, в свою очередь, приводит в движение противовес, связанный со стрелкой.

Ртутные барометры используются в стационарных лабораториях и на метеорологических станциях. Они очень точны, но довольно громоздки, поэтому в домашних или полевых условиях атмосферное давление измеряют с помощью безжидкостного барометра или барометра-анероида.

Как работает барометр-анероид

В безжидкостном барометре колебания атмосферного давления воспринимаются небольшой круглой металлической коробочкой с разреженным воздухом внутри. Анероидная коробка имеет тонкую гофрированную стенку-мембрану, которую оттягивает небольшая пружина. Мембрана выгибается наружу, когда атмосферное давление падает, и вдавливается внутрь, если оно растёт. Эти движения вызывают отклонения стрелки, движущейся по специальной шкале. Шкала барометра-анероида выровнена по ртутному барометру, но всё равно он считается менее точным прибором, так как с течением времени пружина и мембрана утрачивают свою упругость.

История

Изменчивость и влияние на погоду

На земной поверхности атмосферное давление изменяется от места к месту и во времени. Особенно важны определяющие погоду непериодические изменения атмосферного давления, связанные с возникновением, развитием и разрушением медленно движущихся областей высокого давления (антициклонов) и относительно быстро перемещающихся огромных вихрей (циклонов), в которых господствует пониженное давление. Отмечены колебания атмосферного давления на уровне моря в пределах 641 - 816 мм рт. ст. (внутри смерча давление падает и может достигать значения 560 мм ртутного столба) .

Атмосферное давление уменьшается по мере увеличения высоты, поскольку оно создаётся лишь вышележащим слоем атмосферы. Зависимость давления от высоты описывается т. н. барометрической формулой .

На картах давление показывается с помощью изобар - изолиний , соединяющих точки с одинаковым приземным атмосферным давлением, обязательно приведенным к уровню моря.

Атмосферное давление - очень изменчивый метеоэлемент. Из его определения следует, что оно зависит от высоты соответствующего столба воздуха, его плотности, от ускорения силы тяжести, которая меняется от широты места и высоты над уровнем моря.

Стандартное давление

В химии стандартным атмосферным давлением с 1982 года по рекомендации IUPAC считается давление ровно 100 кПа . атмосферное давление является одной из наиболее существенных характеристик состояния атмосферы. В покоящейся атмосфере давление в любой точке равно весу вышележащего столба воздуха с единичным сечением.

В системе СГС 760 мм рт. ст. эквивалентно 1013,25 мб. Основной единицей давления в системе СИ, служит паскаль [Па]; 1 Па= 1 Н/м 2 . В системе СИ давление 1013,25 мб эквивалентно 101325 Па или 101.3 кПа или 0,1 МПа

Уравнение статики выражает закон изменения давления с высотой: -∆p=gρ∆z, где: p - давление, g - ускорение свободного падения, ρ - плотность воздуха, ∆z - толщина слоя. Из основного уравнения статики следует, что при увеличении высоты (∆z>0) изменение давления отрицательное, то есть давление уменьшается. Основное уравнение статики применимо только для очень тонкого (бесконечно тонкого) слоя воздуха ∆z.

Барическая ступень

Высота, на которую надо подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1 гПа (гектопаскаль) , называется барической (барометрической) ступенью. Барической ступенью удобно пользоваться при решении задач, не требующих высокой точности, например для оценки давления по известной разности высот. Из основного закона статики барическая ступень (h) равна: h=-∆z/∆p=1/gρ [м/гПа]. При температуре воздуха 0 °C и давлении 1000 гПа, барическая ступень равна 8 /гПа. Следовательно, чтобы давление уменьшилось на 1 гПа нужно подняться на 8 метров.

С ростом температуры и увеличением высоты над уровнем моря она возрастает (в частности, на 0,4 % на каждый градус нагревания), то есть она прямо пропорциональна температуре и обратно пропорциональна давлению. Величина, обратная барической ступени, - вертикальный барический градиент , то есть изменение давления при поднятии или опускании на 100 метров. При температуре 0 °C и давлении 1000 гПа он равен 12,5 гПа.

Приведение к уровню моря

Приведение давления к уровню моря производится на всех метеостанциях, посылающих синоптические телеграммы. Чтобы давление было сравнимо на станциях, расположенных на разных высотах, на синоптические карты наносится давление, приведённое к единой эталонной отметке - уровню моря. При приведении давления к уровню моря используют сокращенную формулу Лапласа: z 2 -z 1 =18400(1+λt)lg(p 1 /p 2). То есть, зная давление и температуру на уровне z 2 можно найти давление (p 1) на уровне моря (z 1 =0).