Атмосферное давление

На этом уроке вы:

• научитесь объяснять природу атмосферного давления;
• выясните единицы атмосферного давления.

Ключевые слова: атмосферное давление, нормальное атмосферное давление.

Все вы знаете, что на Земле есть суша, водное и воздушное пространство. Люди и животные, перемещающиеся по суше, а также здания и сооружения оказывают давление на поверхность Земли. Причем давление это передается в направлении действия силы тяжести, т. е. по направлению к центру Земли.

Земля окружена воздушной оболочкой, называемой атмосферой. Возникает вопрос: оказывает ли давление воздух на поверхность Земли? Проведем следующий опыт.

Опыт 1. Возьмем стеклянную колбу емкостью 1 л с резиновой трубкой с зажимом. Колбу герметично закроем пробкой. Накачаем насосом воздух в колбу и взвесим ее (рис. 27.1, а). Затем откачаем воздух из колбы и снова ее взвесим. Мы обнаружим, что равновесие весов нарушится и гиря немного перевесит (рис. 27.1, б). Значит, воздух имеет массу. Масса 1 л воздуха приблизительно равна 1,3 г. Это означает, что на воздух действует сила тяжести и он оказывает давление на поверхность Земли, в частности на дно сосуда. Наш опыт позволяет утверждать, что воздух оказывает давление.

В отличие от давления, создаваемого твердыми телами, давление столба воздуха, в соответствии с законом Паскаля, передается по всем направлениям одинаково.

В существовании атмосферного давления можно убедиться и на следующем опыте.

Рис. 27.1

Опыт 2. Поместим на тарелку воздушного насоса завязанный воздушный шарик. Накроем тарелку стеклянным колоколом (рис. 27.2) и начнем из-под него откачивать воздух. По мере уменьшения давления под колоколом будет наблюдаться раздувание воздушного шарика. Это говорит о том, что давление в шарике, изначально равное атмосферному, стало преобладать над давлением под колоколом.

Рис. 27.2

Атмосферным давлением называется давление воздушной оболочки Земли на ее поверхность и находящиеся на ней тела.

В 1654 г. немецкий физик Отто фон Герике в г. Магдебурге проделал опыт, поразивший его современников. Два больших стальных полушария он плотно прижал друг к другу и выкачал из них воздух. Разорвать их не смогли даже несколько пар лошадей, которые тянули полушария в разные стороны. Настолько велика сила атмосферного давления. Этот факт в физике называют «магдебургскими полушариями».

Численное значение атмосферного давления впервые было измерено итальянским физиком Эванжелистой Торричелли (1608—1647) в 1643 г. По поручению своего учителя Г. Галилея он проделал следующий опыт. Взял стеклянную трубку длиной 1 м, запаянную с одного конца, и наполнил ее ртутью. Закрыв открытый конец трубки, он перевернул ее и опустил открытым концом в чашу, заполненную ртутью. Часть ртути из трубки вылилась в чашу (рис. 27.3).

Оставшийся в трубке столб ртути имел высоту около 760 мм. Это объясняется тем, что давление столба ртути в трубке высотой 760 мм компенсируется давлением атмосферы, производимым на поверхность ртути, находящейся в чаше.

Если трубки наклонять, то высота ртутного столба останется такой же (рис. 27.4).

Благодаря опыту Торричелли в физике была введена внесистемная единица измерения давления — мм рт. ст.

Рис. 27.3

Рис. 27.4

В атмосфере Земли постоянно происходят различные процессы: движение воздушных масс, выпадение осадков, нагревание и охлаждение воздуха за счет солнечной энергии. Эти процессы приводят к тому, что атмосферное давление в данной местности непрерывно изменяется.

Атмосферное давление, равное давлению столба ртути высотой 760 мм, называется нормальным атмосферным давлением.

Атмосферное давление зависит не только от температуры воздуха, но и от высоты местности. Это было установлено Б. Паскалем в 1647 г. Используя ртутный барометр, он измерил атмосферное давление у подножия горы и на ее вершине. Паскаль установил, что на больших высотах атмосферное давление уменьшается.

Обратите внимание! Атмосферное давление на каждые 12 м подъема опускается примерно на 1 мм рт. ст. Этот факт объясняется тем, что вес столба атмосферного воздуха, находящегося над этим местом, уменьшается.

Вопросы

1. Какое давление называется атмосферным и почему оно возникает?
2. Каким образом можно доказать существование атмосферного давления?
3. Какая физическая величина измеряется в 1 мм рт. ст.?
4. Какое давление называют нормальным атмосферным давлением?
5. От каких величин зависит атмосферное давление?
6. Одинаково ли атмосферное давление на первом и последнем этажах небоскреба?

Творческая мастерская

Объясните.

1. Почему вода из опрокинутой бутылки выливается рывками, с бульканьем, а из резиновой медицинской грелки вытекает ровной сплошной струей?
2. Что произойдет, если на разных высотах в трубке Торричелли просверлить отверстия небольшого диаметра?

Анализируйте.

1. Используя формулу гидростатического давления, докажите, что атмосферное давление на поверхности ртути в трубке высотой 1 мм равно 133 Па. Плотность ртути $\rho = 13\,600\ \dfrac{\text{кг}}{\text{м}^3}$.
2. Объясните результат опыта: монету вытащили из воды с помощью стакана, в котором подожгли спички (рис. 27.5).

Рис. 27.5

Экспериментируйте. Проведите простой опыт. Возьмите стакан с водой, накройте его листом тетрадной бумаги и, придерживая лист рукой, переверните его (рис. 27.6). Уберите руку. Вода из стакана выливаться не будет. Объясните результат этого опыта.

Рис. 27.6