Розробка уроку на тему "Атмосферний тиск"

Атмосферний тиск

Мета уроку: сформулювати поняття про атмосферний тиск і пояснити його існування на підставі молекулярно-кінетичних уявлень;

 Розвивати логічне та образне мислення;

 Вчити культурі мови;

 Розвивати пізнавальний інтерес до вивчення фізики.

Тип уроку: комбінований урок.

План уроку

Вивчення нового матеріалу

1. Атмосфера Землі

Як відомо, повітря оточує всю Землю у вигляді кулястого шару, тому повітряну оболонку Землі називають атмосферою (грецьк. «атмос» — пара, повітря; «сфера» — куля). Як і всяке інше тіло, що має масу, атмосфера притягується до Землі. Діючи на тіла своєю вагою, вона створює тиск, що називається атмосферним тиском. Відповідно до закону Паскаля, воно проникає у будинки, печери, шахти й діє на всі тіла, що стикаються з атмосферним повітрям. Космічні польоти показали, що атмосфера піднімається над поверхнею Землі на кілька сотень кілометрів, стаючи дедалі більш розрідженою (менш густою). Поступово вона переходить у порожній космічний простір — вакуум, де тиск практично дорівнює нулю.

2. Переконуємося в існуванні атмосферного тиску й спостерігаємо його дію

Існуванням атмосферного тиску пояснюється ціла безліч явищ.

Розглянемо одне з них — підняття рідини за поршнем. Звернемося до рисунка.

Якщо різко підняти рукоятку поршня, то між ним і рідиною утвориться безповітряний простір, тиск у якому практично дорівнює нулю. Тому атмосферний тиск, впливаючи на поверхню рідини в посудині, витисне рідину нагору по трубці в простір з меншим тиском.

Саме таким способом і набирають рідину в шприц. За цим же принципом працюють і всмоктувальні насоси, що піднімають воду з колодязів.

До якої ж висоти можна підняти воду поршнем? Виявляється, що підняти воду за допомогою поршня більш ніж на 10 метрів не можливо. Розгадку знайшов Торрічеллі: він зрозумів, що стовп води висотою 10 м створює тиск, рівний тиску атмосфери. Ось чому атмосферний тиск не може підняти воду більше, ніж на 10 метрів.

3. Дослід Торрічеллі

При виконанні багатьох наукових і технічних розрахунків необхідно знати числове значення атмосферного тиску. Розрахувати ж атмосферний тиск за формулою не можна, тому що, по-перше, густина повітря різна на різній висоті. По-друге, висоту атмосфери точно встановити не можна, тому що вона переходить у космічний простір поступово й лише приблизно вважається рівною 100 км. Тому атмосферний тиск вимірюють експериментально.

На питання «Як виміряти атмосферний тиск?» знайшов відповідь італійський фізик і математик Е. Торрічеллі. За його пропозицією в 1643 році був проведений такий дослід.

Скляну трубку довжиною близько метра, запаяну з одного кінця, наповнюють доверху ртуттю. Потім, щільно закривши отвір пальцем, трубку перевертають й опускають у чашу із ртуттю. Після цього палець забирають. Ртуть із трубки починає виливатися, але не вся! Залишається «стовп» ртуті приблизно 76 см висотою, рахуючи від її рівня в чаші. Ця висота не залежить ні від довжини трубки, ні від глибини її занурення.

Пояснимо цей дослід. Подивіться на нижній рисунок. Світлими кольорами ми позначили невеликий шар ртуті усередині трубки біля її отвору. Вага шарів, що розміщені вище, діє вниз, штовхаючи «світлий» шар у чашу. Причина цього — сила тяжіння. А ртуть у чаші тисне на «світлий» шар нагору, штовхаючи його назад у трубку. Причина виникнення цієї сили — атмосферний тиск, що діє на поверхню ртуті в чаші. Відповідно до закону Паскаля воно поширюється через ртуть навіть усередину трубки. Оскільки ртуть перебуває в стані спокою, то названі сили врівноважують одна одну.

Таким чином, тиск, створюваний стовпом ртуті в трубці, дорівнює атмосферному тиску. Тому стовп ртуті перебуває у спокої.

За допомогою досліду Торрічеллі вдалося не тільки підтвердити існування атмосферного тиску, але й виміряти його. У досліді Торрічеллі висота стовпчика ртуті становила 760 мм. Це послужило підставою для твердження, що нормальний атмосферний тиск дорівнює тиску стовпчика ртуті висотою 760 мм. Тиск цього стовпчика дорівнює:

.

Тиск 1 мм рт. ст = 133,3 Па. Спостерігаючи щодня за висотою ртутного стовпа в трубці, Торрічеллі виявив, що ця висота змінюється, тобто атмосферний тиск може збільшуватися й зменшуватися.

4. Зміна атмосферного тиску з висотою

Швидкості руху молекул, що входять до складу повітря, неоднакові.

У певної частини молекул швидкість набагато вище, ніж у переважної більшості. За рахунок цього вони можуть підніматися над Землею на значну висоту. Відносна кількість таких молекул з висотою зменшується. Відповідно зменшується й створюваний ними тиск.

Атмосферний тиск зменшується при збільшенні висоти над поверхнею Землі. Залежність атмосферного тиску від висоти над поверхнею Землі вперше виявив Блез Паскаль.

 Група його учнів піднялася на гору То-де-Дом (Франція) і виявила, що на вершині гори стовп ртуті на 7,5 см коротше, ніж біля її підніжжя.

Експериментально встановлено, що біля поверхні Землі при невеликих змінах висоти (у кілька сотень метрів) тиск змінюється на 1 мм рт. ст. кожні 11 м висоти.

Коли висота змінюється на десятки або сотні метрів, густину повітря приблизно можна вважати постійною. При підйомі на висоту h тиск повітря зменшується на , де ρ — густина повітря. На рівні моря вона приблизно дорівнює 1,3 кг/м³, що приблизно в 10 000 разів менше за густину ртуті. Отже, зменшенню тиску на 1 мм ртутного стовпа відповідає підйом на висоту, в 10 000 разів більшу за 1 мм, тобто приблизно на 11 м (висота триповерхового будинку).

Для більших висот — наприклад, висот гір — потрібно враховувати, що зі збільшенням висоти зменшується густина повітря, внаслідок чого тиск зі збільшенням висоти зменшується повільніше.

Скажімо, при підніманні з рівня моря на 2 км тиск зменшується приблизно на 20 кПа, а при підніманні з 8 км до 10 км тиск зменшується тільки на 9 кПа.

На верхніх поверхах багатоповерхового будинку тиск повітря на кілька міліметрів ртутного стовпа менше, ніж на нижніх поверхах, — це можна помітити за допомогою звичайного барометра анероїда.

5. Вивчаємо конструкцію барометра-анероїда

Трубка Торрічеллі з лінійкою є найпростішим барометром — приладом для вимірювання атмосферного тиску.

Виміри атмосферного тиску показують, що він у місцевостях, які лежать на рівні Світового океану, у середньому дорівнює близько 760 мм рт. ст. Такий тиск при температурі ртуті 0 °С називається нормальним атмосферним тиском.

Ртутний барометр — досить чутливий і точний прилад. Однак використання його супроводжується великими труднощами. Його незручно перевозити через велику масу. Крім того, ртуть екологічно небезпечна. Тому в практиці для вимірювання атмосферного тиску використовують металеві барометри-анероїди (у перекладі із грецької — безрідинні).

Головна частина барометра-анероїда — легка, пружна, порожня усередині металева коробочка 2 з гофрованою (хвилястою) поверхнею. Повітря з коробочки відкачано. Її стінки розтягує пружна металева пластина 5. До неї за допомогою спеціального механізму прикріплена стрілка 6, що насаджена на вісь 7. Кінець стрілки пересувається по шкалі 4, розміченій у мм рт. ст. Всі деталі барометра поміщені усередину корпуса 1, закритого спереду склом 3.

Відповідно до формули , зміна атмосферного тиску призводитиме до зміни сили, що вдавлює стінки усередину коробочки. Отже, буде змінюватися й величина їх прогину. Рух стінок коробочки, що виникає, за допомогою механізму передасться стрілці й зумовить її зрушення до іншої поділки шкали.

Спостерігаючи за барометром, ви легко виявите, що його показання міняються при зміні погоди. Перед негодою атмосферний тиск падає, а перед ясною погодою — зростає. Крім того, показання барометра залежать від висоти місця спостереження над рівнем моря. Чим вище ми будемо підніматися, тим меншим ставатиме атмосферний тиск.

Питання до учнів у ході викладу нового матеріалу

1. Що являє собою атмосфера Землі?
2. Чому повітря утримується біля поверхні Землі?
3. Чому не можна досить точно обчислити атмосферний тиск?
4. Які недоліки ртутного барометра?
5. Яке практичне значення має вимірювання тиску барометрами?

Закріплення вивченого матеріалу

1. Навчаємося розв’язувати задачі

1. Виразіть у кілопаскалях тиск 420 мм рт. ст.

2. Виразіть у міліметрах ртутного стовпа такі тиски: 20 кПа, 75 кПа.

3. Біля підніжжя гори барометр показує 740 мм рт. ст., а на вершині 720 мм рт. ст. Чому дорівнює висота гори?

4. Визначте глибину шахти, якщо на дні її барометр показує 109 297 Па, а на поверхні Землі — 103 965 Па.

2. Поміркуй і відповідай

1. На яку граничну висоту можна підняти воду поршневим насосом при нормальному атмосферному тиску?

2. Атмосфера складається з молекул, кожна з яких притягається до Землі. Чому атмосфера «не падає»?

3. Чому пасажирам у літаках далекого прямування авторучки із чорнилом треба поміщати в спеціальні поліетиленові пакетики?

Додаткова інформація

 Як ми п'ємо? Чому рідина тече нам у рот, коли ми втягуємо її?

   Коли людина п'є, вона розширює грудну клітку, внаслідок чого повітря в роті розріджується. Під дією атмосферного тиску рідина піднімається в рот за законом сполучених посудин. Навпаки, якщо охопити губами горлечко пляшки, то ніякими зусиллями не можна втягнути з неї воду в рот, оскільки тиск повітря в роті і над водою однаковий. Отже, ми п'ємо не тільки ротом, а й легенями. Крім розглянутих випадків, атмосферний тиск допомагає твари­нам і за інших обставин.

    Як використовує атмосферний тиск лось?

    Лось живе в лісі. Йому часто доводиться ходити болотами. Що допомагає йому не грузнути? Це його роздвоєна ратиця, яка має міцну перетинку. Коли ратиця грузне в болоті, вона розширюється. При підніманні ноги ратиця звужується, під неї легко заходить повітря. Якби в лося замість ратиці було копито, то при підніманні ноги утворювалося б розріджене повітря між копитом і багном, і атмо­сферний тиск притискав би копито до болота, лосю важко було б там ходити.

   Атмосферний тиск допомагає і комахам. Наприклад, чому муха не падає, коли лізе по стелі чи похилій площині? У неї на кінчиках ла­пок є присоски, які утримують муху завдяки дії атмосферного тиску.

   Атмосферний тиск використовують також павуки і комарі.

   Деякі види павуків, що живуть біля водойм, будують для себе бу­диночки, що мають форму ковпака, наповненого повітрям і відкрито­го знизу. Вода не затоплює цей будиночок, бо тиск повітря в ньому дещо вищий від атмосферного, який і зрівноважує тиск води на даній глибині. Запас повітря поповнюється за рахунок бульбашок повітря, які павук приносить з поверхні води на своєму тілі.

   У горизонтальному положенні личинка комара анофелеса біля плівки поверхневою натягу води тримається за допомогою особливих паль­моподібних волосків. Коли личинка занурюється у воду, пелюстки цих волосків стуляються і захоплюють із собою деяку кількість бульбашок повітря, які допомагають їй повертатися до поверхні води.

   Крім атмосферного тиску, живим організмам доводиться присто­совуватися й до вагового тиску.

   Наприклад, чому висота дерев обмежена і чому на суші немає тва­рин, більших від слона?

   Тому, що стовбур дерева не витримав би його ваги, а скелет твари­ни не витримав би ваги самої тварини.

   Розглянемо ще два приклади. Спочатку порівняємо, як працює серце космонавта на Землі та в умовах невагомості.

   Серце космонавта в умовах невагомості працює з меншою за­тратою енергії, ніж на Землі. Це відбувається тому, що в умовах невагомості відсутній ваговий тиск, який доводиться долати в зем­них умовах. 

   Ваговий тиск шкодить не тільки серцю. Наприклад, немовля півро­ку постійно лежить у ліжечку без жодних ускладнень. Але досить на тривалий час злягти дорослій людині, як у неї можуть з'явитися про­лежні. Чим це пояснити? (Під дією вагового тиску порушуються біологічні процеси в кліти­нах шкіри.)

   Давайте поміркуємо, чому гинуть кити, викинуті під час шторму на берег? 
(Вони роздавлюються під дією власного вагового тиску.)

    Що ж допомагає китам жити у воді? 

   Чому найбільші тварини живуть у воді і чому риб називають космонавтами водних стихій? (Повідомлен­ня учня.)

    Густина тіла рибини близька до 1 г/см3. За законом Архімеда виштовхувальна сила рідини, що діє на занурене в неї тверде тіло, спря­мована вертикально вгору й дорівнює вазі рідини, витісненої тілом. Отже маємо, що вага витісненої води дорівнює вазі рибини, тобто будь-яка рибина у воді майже невагома. Тому риби — це своєрідні космо­навти у водній стихії.

   Яку роль у житті риб відіграє плавальний міхур?

    Плавальний міхур — це певною мірою пристосування, що ре­гулює середню густину рибини під час її переміщення на ту чи іншу глибину. За допомогою плавального міхура рибина зберігає рівно­вагу у воді. Заглиблюючись, рибина зберігає об'єм плавального міхура сталим. Вона підтримує в ньому тиск, який дорівнює на­вколишньому тиску води, для чого безперервно підкачує у міхур кисень з крові. Під час спливання, навпаки, кров інтенсивно вби­рає кисень з плавального міхура. Таке підкачування і вбирання — процеси досить повільні.

   Таке спрощене уявлення про призначення плавального міхура риб було висловлене італійським ученим Бореллі в 1685 р. Протягом май­же 200 років воно сприймалося без заперечень, і лише завдяки пра­цям дослідників Моро і Шарбонеля була виявлена суттєва неточність у цій теорії.

   Міхур лише допомагає перебувати рибині на певній глибині, — саме на тій, де вага витісненої рибиною води дорівнює вазі самої рибини. Коли ж рибина, працюючи плавниками, опускається ниж­че від цього рівня, тіло її під дією тиску стискується, здавлюючи міхур, вага витісненої води зменшується, і рибина неухильно падає вниз. Чим нижче вона опускається, тим більшим стає тиск води, тим більше стискується тіло рибини і тим стрімкіше вона продов­жує опускатися. Якщо рибина з глибини, де вона перебувала в рівно­вазі, працюючи плавниками, переміщується на меншу глибину, тіло її, звільнившись від частини зовнішнього тиску, роздувається зсе­редини плавальним міхуром. Унаслідок цього рибина піднімаєть­ся, і чим вище, тим більше роздувається її тіло, щодалі стрімкіше вона спливає.

   Перешкодити цьому рибина не може, оскільки стінки плавального міхура не мають м'язових волокон. Спостереження рибалок це підтверджують.

   Що відбувається з рибою на великій глибині? 

   Згідно із законом Паскаля, тиск на однаковій глибині однаковий з усіх боків тварини. Тиск однаковий ззовні і всередині тіла. Тому ри­бина, перебуваючи на великих глибинах, не відчуває зміни тиску так само, як і ми не відчуваємо атмосферного тиску на поверхні Землі. Ось коли людина піднімається на високу гору, зміна тиску відчуваєть­ся й виражається у формі гірської хвороби: частішає пульс, з'являєть­ся шум у вухах, починаються запаморочення, нудота, слабкість тощо. А горяни почуваються в цих умовах чудово. Отже, йдеться не стільки про абсолютне значення тиску, скільки про його зміну. У тварин, що живуть на великих глибинах, гідростатичний тиск лише змінює швидкість деяких біохімічних процесів в організмі і не впливає на його енергобаланс.

Підбиття підсумків уроку

Домашнє завдання:

1. а) Ріка Нева з’єднана з великим числом каналів. Чому виникає небезпека виходу з берегів води в цих каналах при піднятті рівня води в Неві?

б) Визначте глибину занурення батискафа в море, якщо на його ілюмінатор площею 0,12 м2 тисне морська вода із силою 1,9 МН.

Розробка уроку у 8 класі

«Атмосферний тиск»

Вчитель: Магер Анна Олександрівна