Конспект уроку з фізики "Атмосферний тиск. Барометри. Дослід Торрічеллі. Залежність тиску атмосфери від висоти"

Дата _____________

Тема. Атмосферний тиск. Барометри. Дослід Торрічеллі. Залежність тиску атмосфери від висоти

Мета уроку:

• Навчальна: формувати знання про атмосферний тиск, способи вимірювання атмосферного тиску, одиниці тиску,залежність атмосферного тиску від висоти
• Виховна: виховувати культуру спілкування, мовлення.

• Розвиваюча: розвивати пізнавальний інтерес учнів до вивчення фізики.

Основні поняття: атмосферний тиск, барометр – анероїд, ртутний барометр.

Обладнання: барометри, атмосфера, атмосферний тиск.

Тип уроку: вивчення нового матеріалу.

Хід уроку

І. Організаційний момент

ІІ. Актуалізація опорних знань

Інтерактивна вправа «Логікон».

Знайдіть слово з чотирьох букв, що є закінченням даних слів та одиницею вимірювання фізичної величини.

Пери…

Діа…

Мано…

Ампер…

Баро…

Відповідь (метр)

Бесіда з учнями на тему: «Тиск рідин і газів. Гідростатичний тиск».

ІІІ. Оголошення теми та мети уроку

За часів Галілея  один майстер побудував для садів герцога Тосканського у Флоренції всмоктувальний насос, поршень якого мав піднімати воду на висоту, більшу за 18 італійських ліктів (більше 10 метрів). Але нічого не виходило. На 10м вода за поршнем ще не піднімалася, а далі поршень відходив від води, й утворилася порожнеча. Коли до Галілея звернулися з проханням пояснити причини невдачі, він відповів, що природа не любить порожнечі, але до певної межі. Втім, зайнятися вивченням даної проблеми Галілео не судилося. Після смерті видатного ученого  досліджуваннями у цій галузі зайнявся Еванжеліст Торрічеллі (1608 -1647рр.), італійський фізик і математик та Вінченцо Вівіані.

Чому ж не можна було підняти воду на висоту більшу ніж 20м?

На ці та інші запитання ви зможете дати відповідь на сьогоднішньому уроці.

ІV . Формування вмінь та навичок

Планета Земля оточена газовою оболонкою – атмосферою. Якщо дивитися на нашу планету з далекого космосу, то вона має вигляд блакитної кулі, обриси якої розмиті серпанком. Ніби ковдра цей серпанок огортає нашу землю, відгороджуючи її від космосу. Він оберігає планету людей від згубних випромінювань Всесвіту, від смертоносних коливань температури, до яких призводить зміна дня і ночі. Він підтримує життя, живлячи його киснем. Це і є атмосфера. Без їжі людина може обходитися місяць, без води – тиждень, а без повітря не проживе й кількох хвилин.

Атмосфера, як елемент глобальної екосистеми виконує декілька основних функцій:

• Захищає живі організми від згубного впливу космічного випромінювання і метеоритів.
• Регулює сезонні й добові коливання температури (якби не було б атмосфери,то вони сягали б ).
• Є носієм тепла і вологи.
• Виконує роль депо для газів, що беруть участь у фотосинтезі.
• Зумовлює процеси: вивітрювання, кругообіг природних вод.

До складу атмосфери входять такі гази, як кисень (2,946%), азот (78,084%), вуглекислий газ (0,036%), водень (0,00005%), гелій (0,0000524%), аргон (0,934%), неон (0,0018%), метан (0,0002%), криптон (0,00014%), ксенон (0,000009%). Це так звані постійні складові, зміна яких є небажаною  і навіть шкідливою. Доведено, що якщо вміст кисню перевищуватиме 27%, то практично не можливо  буде гасити пожежі, ще гірше, що посилення окислення призведе до розігрівання й самозаймання куп листя чи вугілля, елеваторів і сховищ зерна, торфовищ.

Межі  атмосфери чітко визначити не можна, але вважається, що вона сягає кількох тисяч кілометрів. Умовно, за характером змін температур атмосферу поділяють на: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу (іоносфера, екзосферу).

Молекули газів, які входять до атмосфери, перебувають у неперервному русі, але не розлітаються у космос, хоча атмосфера і не має газонепроникних стінок. Чому частинки повітря не покидають землю? Біля її поверхні їх утримує сила тяжіння. Перебуваючи у складі атмосфери, молекули повітря не припиняють хаотичного руху, що й приводить до появи атмосферного тиску.

Унаслідок дії сили тяжіння верхні шари повітря подібно до води в морі, стискають нижні шари. Повітряний шар, що прилягає безпосередньо до Землі, стиснений найбільше і за законом Паскаля передає тиск, який діє на нього в усіх напрямках. У результаті цього земна поверхня піддається тиску всієї товщі повітря, або, як зазвичай говорять зазнає атмосферного тиску. Щоб зовсім залишити Землю, молекули, як і космічний корабель, повинні мати швидкість, не меншу, ніж 8км/с. Середня швидкість молекул повітря атмосферної оболонки Землі є значно меншою, ніж ця космічна швидкість. Тому більшість їх прив’язана до Землі силою тяжіння, лише мізерно мала кількість молекул летить у космос, залишаючи Землю.

На невеликих планетах, де сила тяжіння є малою, повітряна оболонка і атмосферний тиск відсутні.

Розрахувати атмосферний тиск за формулою ми не можемо, тому що необхідно знати висоту атмосфери і густину повітря. Але певної межі в атмосфери немає, а густина повітря на різній висоті різна. Ось чому атмосферний тиск, як правило, не розраховують, а вимірюють. Уперше виміряв атмосферний тиск Е.Торрічеллі. 1643р. Торрічеллі поставив свій знаменитий дослід із трубкою заповненою ртуттю. Торрічеллі узяв запаяну з одного кінця скляну трубку довжиною понад 76см і заповнив її ртуттю. Потім, щільно закривши другий кінець трубки, перевернув її  та опустив не запаяний кінець у чашку з ртуттю. Коли він відкрив кінець трубки, частина ртуті вилилася а чашку, а частина залишилася в трубці. Висота стовпа ртуті, що залишилася в трубці приблизно дорівнювала 760мм. При цьому між запаяним кінцем трубки  і поверхнею ртутного стовпа утворилася пустота (її називають Торрічелевою пустотою.) Таким чином було доведено існування атмосферного тиску. Дійсно ртуть не вилилася з трубки під дією сили тяжіння, оскільки атмосфера, що тисне на відкриту поверхню ртуті, протидіє такому виливанню.

Своїм дослідом Торрічеллі розв’язав усі непорозуміння , що виникли у майстра Тосканського герцога. Стало зрозуміло, на яку висоту вода буде покірно посуватися слідом за поршнем насосу. Всмоктування води відбуватиметься доти, доки вага стовпа води не стане такою самою, як вага стовпа ртуті. А оскільки густина ртуті у 13,6 разів більша густини води, то і стовп води буде вищим у 13,6 рази, ніж стовп ртуті.

Дослід Торрічеллі дає підстави стверджувати, що нормальний атмосферний тиск дорівнює тиску стовпчика ртуті висотою 760мм. Тиск цього стовпчика дорівнює 101300Па.

Тиск 1мм рт. ст. = 133,3Па

Спостерігаючи щодня за висотою ртутного стовпчика в трубці,Торрічеллі виявив, що ця висота змінюється, тобто атмосферний тиск може збільшуватись і зменшуватись. Прикріпивши до трубки з ртуттю вертикальну шкалу, дістають найпростіший ртутний барометр – прилад для вимірювання атмосферного тиску.

Ртутний барометр – досить чутливий і точний прилад, однак кого використання пов’язане із значними незручностями. Його складно перевозити через велику масу. Крім того ртуть – отруйна речовина  вкрай небезпечна.

Тому на практиці для вимірювання атмосферного тиску використовують металеві барометри – анероїди (анероїд означає без рідинний). Головна його частина – металева коробочка з хвилястою поверхнею. З цієї коробочки викачане повітря, а щоб атмосферний тиск її не роздавив, пружина відтягує кришку коробочки вгору. Коли атмосферний тиск збільшується, кришка прогинається вниз і натягує пружинку. Зі зменшенням тиску пружинка випрямляє кришку. До пружини приєднано стрілку – покажчик. Під стрілкою закріплено шкалу, поділки якої нанесено за показами ртутного барометра.

Барометр – важливий прилад для метеорологічних спостережень. Якщо атмосферний тиск зменшується, то треба чекати негоди. Покази атмосферного тиску залежать не тільки від погоди, а й від висоти над рівнем моря. Чим вищий від поверхні Землі шар повітря, тим менше він стиснутий, тим менша його густина, а отже, тим менший він чинить тиск. При невеликих підйомах у середньому на кожні 11м підйому тиск зменшується на 1мм рт. ст. Знаючи залежність тиску від висоти, можна за зміною показів барометра, визначати висоту над рівнем моря. Анероїди, що мають шкалу, за якою безпосередньо можна відлічити висоту, називають висотомірами, або альтиметрами. Їх використовують у авіації й під час сходження на гори.

Якщо виміряти тиск на різних висотах, то отримаємо такі результати:

Для автоматичного і безперервного запису змін атмосферного тиску використовують барограф. Крім металевих гофрованих коробочок у цьому приладі є механізми для руху паперової стрічки, на якій нанесено сітку значень тиску і дні тижня. За такими стрічками можна з’ясувати, як змінюється атмосферний тиск протягом будь-якого тижня.

Цікаво, що висновок про існування атмосферного тиску незалежно від Торрічеллі зробив німецький фізик Отто фон Геріке (1602-1686рр.). Відкачуючи повітря з тонкостінної металевої кулі, він побачив, що куля сплющилася. Аналізуючи причини сплющення кулі, він зрозумів, що воно відбулося під дією тиску навколишнього середовища.

Відкривши атмосферний тиск Геріке побудував біля фасаду свого будинку в м. Магдебурзі водяний барометр, в якому на поверхні води плавала фігурка людини, яка вказувала на поділки, нанесені на склі.

У 1654р. Геріке, бажаючи переконати всіх в існуванні атмосферного тиску, виконав знаменитий дослід з «магдебурзькими півкулями». На демонстрацію прийшли члени Регенсбурзького рейхстагу та імператор Фердинант ІІІ. В їх присутності з порожнини між двома складеними разом металевими півкулями викачали повітря. При цьому сили тиску так міцно притиснули ці півкулі одна до одної, що їх не могли роз’єднати вісім пар коней. Цікаво, що у 1986р, як і 332 роки тому, на лузі поблизу річки Ельби цей дослід був знову повторений: шістнадцятьом коням не вдалося роз’єднати порожні мідні півкулі. Лише після того, як у кулю впустили повітря, куля розпалася. Учасники експерименту були у костюмах 16ст.. історики вважають, що дослідження Геріке, було не тільки науковим, а й мало політичний характер. Будучи мером міста, яке було майже зруйноване за роки тридцятилітньої війни, він отримати кошти на його відновлення.

У природі є понад 400 рослин-барометрів. Квітковий барометр можна  знайти і на городі. Це маленька гілляста рослина – мокрець. По її дрібних білих квітках можна завбачити погоду протягом цілого літа: якщо вранці віночки не розкриваються, вдень буде дощ. Дуже точно реагують на переміни погоди складноцвіті: кульбаба, нечуйвітер – суцвіття – кошики закриваються, якщо за годину – дві має початися дощ. Подібно реагують фіалки. Дивним чином реагує на погоду будяк: в спеку він колючий не доторкнешся, а квіти поширюють нудотний запах, а перед негодою цей запах у рослин зникає, колючки притискаються до суцвіть, і рослина стає м’якшою.

Лев Толстой писав, що павук робить павутину відповідно до погоди, яка є і яка буде. Дивлячись на павутину, можна дізнатися, яка буде погода: якщо павук сидить, забившись всередину павутини, і не виходить – це на дощ. Якщо він виходить з гнізда і робить нові павутини – це на ясну погоду.

V. Закріплення вивченого матеріалу

Поясни дослід:

Візьмемо  склянку, наллємо в неї води і накриємо листком паперу, розміри якого трохи більші за діаметр склянки. Тримаючи склянку за нижню частину, притиснемо папір до склянки долонею і перекинемо склянку догори дном. Вода буде триматися в перекинутій склянці. Чому? (Тому, що тиск атмосферного повітря на папір більший, ніж тиск води на нього.)

Запитання для учнів:

• Внаслідок чого створюється атмосферний тиск?
• Що доводить дослід Торрічеллі?
• Що означає запис: «Атмосферний тиск дорівнює 780 мм рт. ст..»?
• Який тиск називають нормальним атмосферним тиском?
• Як змінюється атмосферний тиск із зміною висоти? Чому?
• Які прилади використовують для визначення атмосферного тиску?
• Чому замість ртуті не використовують воду або іншу рідину? (бо вони підніматимуться на більшу висоту, висота стовпчика води буде у 13,6 вище, ніж ртуті).

Розв’язування вправ:

• Подайте в кілопаскалях тиск 380мм рт. ст..
• Подайте в міліметрах ртутного стовпчика такі тиски: 10кПа, 50кПа.
• Визначте глибину шахти, якщо на її дні барометр показує 82,4см рт. ст., а на поверхні Землі – 78см рт. ст..
• Барометр показує 765мм рт. ст.. З якою силою повітря тисне на віконне скло, що має розміри  1м на 0,5м? Яким чином воно витримує такий тиск?

VІ. Підсумок уроку

Інтерактивна вправа «Журналіст».

Учням пропонується скласти розповідь, використовуючи ключові слова теми уроку. На виконання завдання 3-5хв. Декілька учнів зачитують свої роботи

VІІ. Домашнє завдання

Опрацювати:

• Конспект.
• §  20 П-1,
• §  27 П-2,
• §  14 П-3,
• §  34,35 П-4.

Творче завдання:

Підготувати повідомлення про атмосферу та атмосферний тиск.