как обозначается атмосферное давление в физике какой буквой
Как обозначается давление воздуха. Чем его измеряют. Эксперименты
Давлением атмосферы называют силу, с которой воздух давит на Землю, человека и все, что его окружает. Статья расскажет, как в XVII в. с помощью эксперимента впервые была показана сила давления воздуха. Это очень интересно! Мы узнаем, как обозначается давление атмосферы и чем измеряется.
Опыт Отто фон Герике
Насколько велико атмосферное давление, мир узнал в 1654 году. Произошло это благодаря бургомистру города Магдебург (Германия) Отто фон Герике. Он продемонстрировал опыт с так называемыми магдебургскими полушариями. Тогда не шла речь о том, как обозначается давление воздуха, потому что измерять его еще не умели. Как выглядят полушария, видно на фотографии из магдебургского музея.
Вам будет интересно: Социальная модернизация общества: понятие, особенности, примеры
Это две бронзовых полусферы, одна из них сплошная, а во второй есть отверстие. Между полусферами для герметичности помещали промасленную кожаную прокладку и соединяли их. Через отверстие из полушарий выкачивали воздух. Интересно, что сам Герике за четыре года до этого, в 1650 г., изобрел вакуумный насос. Он тоже запечатлен на фото. Когда воздух был откачан, полусферы сдавливало атмосферное давление. Для того чтобы отсоединить их друг от друга, использовали тяговую силу лошадей.
Эксперимент с магдебургскими полушариями
Перед тем как узнать, как обозначается давление атмосферы, проведем опыт. Для него будем использовать модель магдебургских полушарий. Присоединим к отверстию полусферы при помощи резинового шланга вакуумный насос. Включим его, откроем кран на одном из полушарий. Давление в пространстве между ними понизится. Следовательно, сила, действующая на полушария изнутри, понижается, а действующая снаружи — увеличивается.
Во время откачивания воздуха разъединить полусферы оказывается невозможным, так как они плотно прилегают друг к другу. Выключим насос, отсоединим резиновый шланг. Воздух начнет заходить в пространство между полушариями. Тогда они легко разделятся.
Какой буквой обозначается давление воздуха
Попробуем рассчитать силу, которая сдавливала полусферы. Когда мы откачиваем воздух, на полушария действует только сила атмосферного давления. Она сдавливает полушария и направлена от внутренних стенок полых сфер к центру пространства между ними. Диаметр полушарий (d) у Герике был 35,5 см.
Исходя из того, что мы не смогли разъединить полусферы, становится понятно, что сила давления очень большая. Даже восемь лошадей с каждой стороны не смогли разорвать эти полушария. Вот гравюра, которая иллюстрирует опыт Отто фон Герике.
Какой буквой обозначается давление? Буквой Р. Нормальное атмосферное давление (Ратм) равно 100 килопаскалям (кПа). На каждый участок полушария действует такая сила. Сила давления F равна произведению атмосферного давления на площадь сечение полушарий S.
S=π*d2/4. F=100*103 Па*3,14*(0,355 м)2/4≈10 кН (килоньютонов). Это вес груза массой одна тонна, поэтому лошади не смогли разорвать эти полушария.
Барометр
Как обозначается атмосферное давление, мы знаем, а чем его измеряют? Барометр, который изобрел итальянец Торричелли в первой половине XVII в., имел недостатки. Его легко можно было разбить, он был наполнен ядовитой ртутью, а ведь так хотелось возить его по разным местам, чтобы предсказывать погоду.
Нужно было придумать устройство без стеклянной трубки, т. е. безжидкостное. Такой барометр изобрели только через двести лет и назвали его анероид. Это слово в переводе на русский язык означает безжидкостный. Рассмотрим, что собой представляет барометр-анероид.
Это прибор небольшого размера. В отличие от ртутной трубки Торричелли высотой в один метр, его можно легко возить с собой куда угодно. Что же в нем внутри? Посмотрим на барометр в разобранном виде.
Как обозначается давление в нем? В устройстве есть шкала, похожая на циферблат часов. Давление в килопаскалях показывается стрелкой. Позади циферблата мы видим три уплощенные коробочки. Из них выкачан воздух, а внутри находится пружина. Если бы ее не было, атмосфера бы раздавила коробочки. Дальше от пружины отходит рычажок, он передает движения коробочек. Почему они двигаются? Коробочки могут менять свою толщину. Когда атмосферное давление больше, воздух сжимает коробочки, их толщина уменьшается. Когда давление меньше, пружина распрямляется и коробочки становятся толще. Через механизм рычажков движение передается стрелке.
Устройство безжидкостного барометра
Мы узнали, как обозначается давление в безжидкостном барометре, а теперь нарисуем его схему.
Три коробочки придают устройству большую точность, но в принципе достаточно и одной. Она специально сделана гофрированной для того, чтобы обладать способностью менять свою толщину. Вспомните гофрированные, а поэтому гибкие шланги пылесосов. Нижняя часть коробочки прикреплена к основанию. К верхней ее части прикреплена пружина, которая пытается расправить коробочку так же, как алюминиевая линейка, если ее согнуть, пытается распрямиться. Атмосферное давление, наоборот, пытается сжать коробочку.
Когда давление увеличивается, толщина коробочки уменьшается, значит, рычаг поворачивает ось. Если к оси прикрепить стрелку, то она будет поворачиваться вправо, когда толщина уменьшается, и влево, когда толщина увеличивается.
Давление. Атмосферное давление. Закон Паскаля. Закон Архимеда
1. Твёрдые тела оказывают давление на опору. На тело, стоящее на опоре, действуют сила тяжести \( \vec
Если опора неподвижна, то это тело действует на неё с силой \( \vec
Физическая величина, равная отношению силы давления \( F \) к площади поверхности \( S \) называется давлением и обозначается буквой \( p \) :
Единицей давления является 1 паскаль (1 Па):
Более крупная единица давления — килопаскаль.
Как видно из формулы, давление на поверхность зависит от площади поверхности. Так, человек проваливается в снег при ходьбе по нему и спокойно перемещается на лыжах. В том случае, когда нужно увеличить давление на твёрдое тело, используют заострённые предметы, например, булавки, гвозди, ножи и т.п.
Чем выше температура газа, чем с большей скоростью движутся молекулы и чем чаще и сильнее ударяются они о стенки сосуда, тем, следовательно, давление газа на стенки сосуда больше.
Если уменьшить объём газа в сосуде, не меняя его массу, то число молекул в единице объёма увеличится, увеличится и плотность газа. Число ударов молекул о стенки сосуда при этом возрастёт, следовательно, увеличится давление газа. При увеличении объёма газа при той же массе уменьшится его плотность и число ударов молекул о стенки сосуда. Давление уменьшится.
Таким образом, давление газа тем больше, чем выше его температура и меньше объём при неизменной массе. При повышении температуры и уменьшении объёма молекулы с большей силой и чаще ударяются о стенки сосуда.
3. Опыт показывает, что давление, производимое на жидкость или газ, передаётся по всем направлениям. Если шар с отверстиями, соединённый с трубкой, внутри которой находится поршень, наполнить водой, а затем нажать на поршень, то можно заметить, что вода брызнет из всех отверстий. При этом струйки вытекающей воды будут примерно одинаковыми. Это говорит о том, что давление, которое мы создаём, действуя на воду, передаётся водой по всем направлениям одинаково. Тот же эффект можно наблюдать, если шар заполнить дымом. Дым тоже будет передавать производимое на него давление по всем направлениям одинаково.
То, что газы и жидкости передают давление по всем направлениям, объясняется подвижностью их молекул. Она проявляется в том, что слои и частицы жидкостей и газов могут свободно перемещаться друг относительно друга но разным направлениям. Благодаря подвижности молекул давление, которое оказывает поршень на ближайший к нему слой, передаётся последующим слоям. Молекулы газа и жидкости движутся хаотически, поэтому и их действие распределяется равномерно по всему объёму шара. Таким образом, давление, производимое на жидкость или газ, передаётся по всем направлениям без изменения в каждую точку жидкости или газа. Это утверждение называется законом Паскаля.
4. Закон Паскаля находит применение в гидравлических машинах.
Основной частью любой гидравлической машины являются два соединенных между собой цилиндра разного диаметра. Цилиндры заполнены жидкостью, чаще всего маслом, и в них помещены поршни.
Пусть на большой поршень площадью \( S_1 \) действует сила \( F_1 \) (рис. 56). Эта сила будет оказывать на поршень давление \( p_1 \) : \( p_1=F_1/S_1 \) .
Это давление \( p_1 \) будет передаваться жидкости, находящейся под большим поршнем. Согласно закону Паскаля, давление, производимое на жидкость или газ, передаётся по всем направлениям без изменения. Следовательно, давление будет передаваться жидкости, находящейся под меньшим поршнем, и на меньший поршень со стороны жидкости будет действовать давление \( p_2=p_1 \) . Соответственно, на меньший поршень со стороны жидкости будет действовать сила \( F_2=p_2S_2 \) , направленная вверх. Откуда \( p_2=F_2/S_2 \) .
Чтобы жидкость и поршни находились в равновесии, на меньший поршень следует подействовать силой, равной по модулю силе \( F_2 \) , направленной вертикально вниз. Для этого можно, например, положить на поршень груз.
Так как \( p_1=p_2 \) , то \( F_1/S_1=F_2/S_2 \) или \( F_1/F_2=S_1/S_2 \) .
Таким образом, гидравлическая машина даёт выигрыш в силе во столько раз, во сколько раз площадь большего поршня больше площади меньшего поршня.
Это означает, что с помощью некоторой силы, приложенной к малому поршню гидравлической машины, можно уравновесить существенно большую силу, приложенную к большему поршню.
Гидравлическая машина, так же как и любой простой механизм, даёт выигрыш в силе, но не даёт выигрыша в работе.
5. Твёрдые тела производят давление на опору вследствие действия на них силы тяжести. Поскольку на жидкости тоже действует сила тяжести, то и жидкости оказывают давление на дно сосуда. Это можно доказать экспериментально.
Если в трубку, дно которой затянуто плёнкой, налить воду, то плёнка заметно прогнётся. Это происходит потому, что на воду действует сила тяжести, и каждый слой воды давит на слои воды, лежащие ниже, и соответственно на дно сосуда.
Давление производится жидкостью не только на дно сосуда, оно существует внутри жидкости на любой её глубине. При этом производимое давление передаётся по закону Паскаля по всем направлениям одинаково.
Если в трубку с дном, затянутым плёнкой, добавить воды, то плёнка прогнётся сильнее. Это происходит потому, что увеличивается вес воды и соответственно давление воды на дно трубки. Таким образом, давление жидкости на дно сосуда тем больше, чем больше высота столба жидкости.
Если теперь в трубку до той же высоты налить масло, плотность которого меньше плотности воды, то плёнка прогнётся меньше, чем в том случае, когда в ней была вода (рис. 57 а). Это означает, что давление на дно сосуда тем больше, чем больше плотность жидкости.
Сила \( F \) , с которой жидкость давит на дно, равна её весу \( P \) . Вес жидкости \( P \) равен произведению её массы \( m \) и ускорения свободного падения \( g \) : \( F=P=mg \) .
Масса жидкости \( m \) равна произведению её плотности \( \rho \) и объёма \( V \) : \( m=\rho V \) , где \( V=Sh \) (рис. 57 б). Тогда \( F=mg=\rho V\!g=\rho Shg \) .
Разделив вес жидкости (силу, с которой она давит на дно сосуда) на площадь дна, получим давление жидкости \( p \) : \( p=F/S \) или \( p=\rho gSh/S \) , т.е. \( p=\rho gh \)
Давление жидкости на дно и стенки сосуда равно произведению плотности жидкости, ускорения свободного падения и высоты столба жидкости.
6. Два или более сосудов, соединённых между собой у дна, называются сообщающимися сосудами. Примерами сообщающихся сосудов могут служить гидравлические машины и жидкостный манометр. Самым простым сообщающимся сосудом, которым вы пользуетесь каждый день, является чайник.
Если две стеклянные трубки соединить резиновой трубкой (рис. 57 в), то получатся сообщающиеся сосуды. Наливая в одну трубку воду, можно заметить, что она будет перетекать и в другую трубку. При этом уровни воды в трубках будут все время одинаковы.
Можно поднять одну из трубок или наклонить ее, в любом случае друг относительно друга уровни воды или любой другой жидкости останутся одинаковыми, т.е. будут лежать в одной и той же горизонтальной плоскости.
Можно сделать вывод: в сообщающихся сосудах поверхности однородной жидкости всегда устанавливаются на одном уровне.
Это верно при условии, что давление на поверхность жидкости одинаково. При использовании сообщающихся сосудов в качестве жидкостного манометра именно по разности уровней жидкости в трубках можно судить о значении давления.
Объяснить то, что в сообщающихся сосудах однородная жидкость устанавливается на одном уровне, можно следующим образом. Жидкость в сосудах не перемещается, следовательно, её давления в сосудах на одном уровне, в том числе и на дно, одинаковы. Она имеет одинаковую плотность, т.к. она однородная. Следовательно, в соответствии с формулой \( p=\rho gh \) высоты жидкости тоже одинаковы.
Если в одну трубку налить воду, а в другую масло, плотность которого меньше плотности воды, то уровень воды будет ниже, чем уровень масла в другой трубке (рис. 58).
Это объясняется тем, что давление жидкости на дно сосуда зависит от высоты столба жидкости и от её плотности. При одинаковом давлении, чем больше плотность жидкости, тем меньше высота её столба. Поскольку плотность масла меньше плотности воды, то столб масла выше столба воды. Жидкости, имеющие разную плотность, устанавливаются в сообщающихся сосудах на разных уровнях; во сколько раз плотность одной жидкости больше плотности другой, во столько раз меньше высота её столба.
7. Земля окружена воздушной оболочкой — атмосферой. Воздух, как и газы, входящие в состав атмосферы, имеет массу. Соответственно, на него действует сила тяжести, и он оказывает давление на поверхность Земли.
Давление воздушной оболочки на поверхность Земли и находящиеся на ней тела называется атмосферным давлением.
В существовании атмосферного давления легко убедиться на опытах. Если опустить в воду трубку с плотно прилегающим к её стенкам поршнем и поднимать поршень вверх, то вода будет подниматься по трубке вслед за поршнем.
Это происходит потому, что при подъёме поршня между ним и поверхностью воды образуется разреженное пространство. На поверхность воды в сосуде действует атмосферное давление, которое в соответствии с законом Паскаля передаётся по всем направлениям, в том числе и в направлении трубки. Оно и заставляет воду подниматься за поршнем.
Для расчёта атмосферного давления нельзя использовать формулу, по которой рассчитывается давление столба жидкости, так как для этого нужно знать высоту атмосферы и плотность воздуха. Но атмосфера не имеет определённой границы, а плотность воздуха изменяется с высотой. Однако атмосферное давление можно измерить.
Опыт по измерению атмосферного давления был предложен итальянским ученым Торричелли в XVII в. Стеклянную трубку длиной 1 м, запаянную с одного конца, заполнили ртутью. Закрыв другой конец трубки, её перевернули и опустили в сосуд с ртутью. Затем этот конец трубки открыли, и часть ртути вылилась из неё в сосуд, а часть осталась в трубке. Высота столба ртути, оставшейся в трубке, оказалась равной примерно 760 мм.
Объясняется это следующим образом: атмосферное давление действует на ртуть в сосуде, это давление передаётся по всем направлениям и действует на ртуть в основании трубки снизу вверх. Это давление уравновешивает давление столба ртути в трубке. Таким образом, атмосферное давление равно давлению, которое оказывает у основании трубки столб ртути высотой 760 мм. Это давление называют нормальным атмосферным давлением.
Если атмосферное давление выше нормального, то высота столба ртути больше, если — меньше нормального, то столб ртути опустится ниже.
Нормальное атмосферное давление равно 101 300 Па.
Атмосферное давление чаще выражают не в паскалях, а в миллиметрах ртутного столба (мм рт.ст.). 1 мм рт.ст. = 133,3 Па.
Если к трубке в опыте Торричелли прикрепить шкалу и проградуировать её в миллиметрах, то получим прибор — ртутный барометр, с помощью которого можно измерять атмосферное давление.
В быту и технике для измерения атмосферного давления применяют более удобный в обращении металлический барометр, называемый анероидом.
Атмосферное давление зависит от высоты. Это объясняется тем, что воздух хорошо сжимаем, так же как и все газы. Верхние слои воздуха давят на лежащие ниже и сжимают их, соответственно плотность слоёв воздуха, а следовательно и давление, у поверхности Земли больше, чем на некоторой высоте от неё.
Так, в местности, лежащей на уровне моря, давление равно примерно 760 мм рт. ст., т.е. нормальному атмосферному. В горах оно выше. Измерения показывают, что на каждые 12 м подъёма атмосферное давление уменьшается примерно на 1 мм рт.ст.
8. Если подвешенный к пружине динамометра шарик опустить в сосуд с водой, то можно заметить, что показание динамометра уменьшится.
Точно так же можно изменить показания динамометра, если подействовать на шарик рукой снизу вверх. Следовательно, когда шарик опустили в воду, на него, помимо силы тяжести и силы упругости пружины динамометра, стала действовать сила, направленная вверх. Эту силу называют выталкивающей или архимедовой силой.
Выталкивающая сила возникает за счёт разности давления воды на нижнюю поверхность шарика и давления на его верхнюю поверхность, поскольку давление жидкости зависит от высоты её столба.
Выталкивающая сила тем больше, чем больше плотность жидкости, в которую погружено тело, и чем больше объём тела, погружённого в жидкость.
Опыт показывает, что выталкивающая сила \( F \) может быть вычислена по формуле: \( F=\rho gV \) , где \( \rho \) — плотность жидкости, в которую погружено тело, \( V \) — объём погружённой части тела.
Выталкивающая сила равна произведению плотности жидкости, ускорения свободного падения и объёма погружённой части тела.
Этот закон называют законом Архимеда.
В воздухе, так же как и в любом другом газе, на тело действует выталкивающая сила. Она имеет ту же природу, что и выталкивающая сила, действующая на тело в жидкости. Её происхождение обусловлено разностью давлений на нижнюю и верхнюю грани тела. Однако, поскольку плотность газа намного меньше плотности жидкости, выталкивающая сила, действующая на тело, в газе меньше, чем в жидкости. Часто при решении задач пренебрегают выталкивающей силой, действующей на тело в воздухе, и считают, что вес покоящегося тела в воздухе равен по модулю действующей на него силе тяжести.
ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ
Часть 1
1. Ребёнка везут на санках по свежевыпавшему снегу. Какие санки — с широкими или узкими полозьями — следует выбрать, чтобы не проваливаться в снег?
1) с широкими
2) с узкими
3) безразлично
4) ответ зависит от веса санок
2. Брусок в форме прямоугольного параллелепипеда положили на стол сначала узкой гранью (1), а затем — широкой (2). Сравните силы давления ( \( F_1 \) и \( F_2 \) ) и давления ( \( p_1 \) и \( p_2 \) ), производимые бруском на стол в этих случаях.
1) \( F_1=F_2; p_1>p_2 \)
2) \( F_1=F_2; p_1
3) \( F_1 \( F_1=F_2; p_1=p_2 \)
3. Сила \( F_1 \) , действующая со стороны жидкости на один поршень гидравлической машины, в 16 раз меньше силы \( F_2 \) , действующей на другой поршень. Как соотносятся модули работы \( (A_1) \) и \( (A_2) \) этих сил, совершаемой при перемещении поршней? Трением пренебречь.
1) \( A_1=A_2 \)
2) \( A_1=16A_2 \)
3) \( A_2=16A_1 \)
4) \( A_1=4A_2 \)
4. В сосуды различной формы налита одна и та же жидкость. Высота уровня жидкости во всех сосудах одинакова. В каком из сосудов давление на дно наименьшее?
1) в сосуде А
2) в сосуде Б
3) в сосуде В
4) во всех сосудах одинаковое
5. Стеклянный сосуд, правое колено которого запаяно, заполнен жидкостью плотностью с (см. рисунок). Давление, оказываемое жидкостью на дно сосуда в точке Б, равно
1) \( \rho gh_3 \)
2) \( \rho gh_1 \)
3) \( \rho g(h_1-h_2) \)
4) \( \rho gh_2 \)
6. Атмосферное давление на вершине горы Казбек
1) меньше, чем у её подножия
2) больше, чем у её подножия
3) равно давлению у её подножия
4) может быть больше или меньше, чем у её подножия, в зависимости от погоды
7. В открытых сосудах 1 и 2 находятся соответственно ртуть и вода. Если открыть кран К, то
1) ни вода, ни ртуть перетекать не будут
2) вода начнёт перетекать из сосуда 2 в сосуд 1
3) перемещение жидкостей будет зависеть от атмосферного давления
4) ртуть начнёт перетекать из сосуда 1 в сосуд 2
8. Два однородных шара, один из которых изготовлен из стали, а другой — из олова, уравновешены на рычажных весах (см. рисунок). Нарушится ли равновесие весов,
если шары опустить в воду?
1) Равновесие весов не нарушится, так как шары одинаковой массы.
2) Равновесие весов нарушится — перевесит шар из стали.
3) Равновесие весов нарушится — перевесит шар из олова.
4) Равновесие весов не нарушится, так как шары опускают в одну и ту же жидкость.
9. Алюминиевый шар, подвешенный на нити, опущен в крепкий раствор поваренной соли. Затем шар перенесли из раствора поваренной соли в дистиллированную воду. При этом сила натяжения нити
1) может остаться неизменной или измениться в зависимости от объёма шара
2) не изменится
3) увеличится
4) уменьшится
10. Теплоход переходит из устья реки в солёное море. При этом архимедова сила, действующая на теплоход,
1) увеличится
2) уменьшится или увеличится в зависимости от размера теплохода
3) не изменится
4) уменьшится
11. Шарик, опущенный в жидкость, начинает опускаться на дно. Как по мере движения шарика в жидкости изменяются выталкивающая сила, действующая на него, вес шарика, давление жидкости? Установите соответствие между физическими величинами и характером их изменения. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ
A) выталкивающая сила
Б) вес
B) давление жидкости
ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ ВЕЛИЧИН
1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменяется
12. Из перечня приведённых ниже высказываний выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.
1) атмосферное давление можно рассчитать так же, как давление жидкости на дно сосуда.
2) в опыте Торричелли можно ртуть заменить водой при той же длине трубки.
3) для того, чтобы столб воды производил на дно сосуда такое же давление, что и столб керосина, его высота должна составлять 0,8 от высоты столба керосина.
4) на вершине горы атмосферное давление меньше, чем у её подножия.
5) закон Паскаля справедлив для газов, жидкостей и твёрдых тел.
Часть 2
13. Камень весит в воздухе 6 Н, а в воде 4 Н. Чему равен объём этого камня?