На цьому занятті ми поговоримо про таке поняття як атмосферний тиск. Ми переконаємося, що повітряні маси чинять на нас певний тиск, що називається атмосферним. Повторимо закон Паскаля, після чого зробимо висновок, який ми відчуваємо тиск, перебуваючи в стисненому нижньому шарі атмосфери.
Тема: Тиск твердих тіл, рідин та газів
Урок: Атмосферний тиск
Тож ми живемо на дні океану. Повітряного океану. Повітряні маси огортають нашу Землю, як велику ковдру, як кулю з повітря. По-грецьки повітря – «атмос», куля – «сфера». Тому повітряна оболонка Землі називається атмосферою (рис. 1).
Рис. 1. Атмосфера – повітряна оболонка Землі
Зараз ми переконаємося, що повітряні маси можуть чинити на нас тиск на поверхні Землі. Цей тиск називається атмосферним тиском.
Усі молекули, у тому числі складається атмосфера, притягуються до Землі, завдяки силі тяжкості. Верхні шари атмосфери тиснуть на нижні шари атмосфери тощо. Отже, нижні шари атмосфери зазнають найбільшого тиску, вони найбільше стиснуті. Тиск, який чиниться на всі шари атмосфери, за законом Паскаля, передається без змін будь-яку точку атмосферного повітря. На нас із вами, що знаходяться на поверхні Землі, діє тиск усіх повітряних мас, розташованих над нами (Мал. 2).
Рис. 2. Верхні шари атмосфери тиснуть на нижні
Щоб переконатися у існуванні атмосферного тиску, можна використовувати звичайний шприц. Випустимо повітря з циліндра та опустимо штуцер (кінець шприца) у підфарбовану воду. Переміщатимемо поршень вгору. Ми побачимо, що рідина почне підніматися за поршнем. Чому це відбувається?
Чому рідина піднімається за поршнем, незважаючи на те, що на неї діє сила тяжіння, спрямована вниз? Це пояснюється тим, що на поверхню рідини в посудині, з якої наповнюємо шприц, діє атмосферний тиск. За законом Паскаля воно передається в будь-яку точку цієї рідини, у тому числі і на рідину в штуцері шприца, змушуючи її заходити в шприц (Мал. 3).
Рис. 3. Вода в шприці піднімається слідом за поршнем.
Проведемо ще один досвід, що підтверджує існування атмосферного тиску. Візьмемо трубку, відкриту з двох кінців. Опустимо її на деяку глибину в рідину, закриємо верхню частину трубки пальцем і виймемо трубку з рідини. Ми побачимо, що рідина не випливає із трубки, хоча нижній кінець трубки відкритий. Але якщо прибрати палець, що закриває верхній отвір трубки, рідина негайно з неї витече.
Спостережуване явище пояснюється так. Коли ми опускаємо трубку в рідину, частина повітря виходить з трубки через відкритий верхній кінець, так як рідина, що входить знизу, витісняє це повітря. Потім закриваємо отвір пальцем і піднімаємо трубку. Атмосферний тиск знизу стає більшим, ніж тиск повітря всередині трубки. Тому атмосферний тиск не дає рідини витекти із трубки.
І нарешті, ще один досвід. Візьмемо циліндричну посудину, наллємо в неї води, накриємо аркушом паперу і перевернемо. Вода із судини не виллється (Мал. 4). Спробуйте самостійно пояснити чому так відбувається, незважаючи на те, що на воду в посудині діє сила тяжіння.
Рис. 4. Вода не виливається з перевернутої склянки
Отже, кожен із нас зазнає тиску величезної товщі повітряних мас, що розташовуються зверху. Цей тиск називається атмосферним. Воно створюється з допомогою ваги повітря, який діє сила тяжіння Землі.
Список літератури
- Перишкін А. В. Фізика. 7 кл. - 14-те вид., стереотип. - М: Дрофа, 2010.
- Перишкін А. В. Збірник задач з фізики, 7-9 кл.: 5-те вид., стереотип. – М: Видавництво «Іспит», 2010.
- Лукашик В. І., Іванова Є. В. Збірник завдань із фізики для 7-9 класів загальноосвітніх установ. - 17-те вид. - М: Просвітництво, 2004.
- Єдина колекція цифрових освітніх ресурсів ().
Домашнє завдання
- Лукашик В. І., Іванова Є. В. Збірник завдань з фізики для 7-9 класів №548-554.
- сформувати уявлення про атмосферний тиск і закономірності його зміни
- навчитися вираховувати атмосферний тиск із зміною висоти
Слайд 2
Повторення раніше вивченого
- Що таке вологість повітря?
- Від чого залежить?
- Як утворюються туман та хмари?
- Які види хмар ви знаєте?
- Чим вони відрізняються одна від одної?
- Як утворюються опади?
- Які види опадів ви знаєте?
- Як опади розподіляються на земній поверхні?
Слайд 3
- Де знаходиться найвологіше місце на Землі?
- Найсухіше?
- Як називаються лінії, що з'єднують на картах точки з
- однаковою кількістю опадів?
- однаковими температурами?
- однаковою абсолютною висотою? Ізогіпси або горизонталі
Слайд 4
Чи має повітря вага?
Скільки важить повітря?
Слайд 5
- Сила, з якою стовп повітря атмосфери тисне на земну поверхню та все, що на ній знаходиться, називається атмосферним тиском.
- на 1 кв. см тисне стовп повітря атмосфери із силою 1 кг 33 г.
- Першим винайшов прилад, за допомогою якого виміряв атмосферний тиск, італійський учений Еванджеліста Торрічеллі в 1643 році.
Слайд 7
Середній тиск на рівні моря за t 0°С становить 760 мм рт.ст. – нормальний атмосферний тиск.
Слайд 8
У XVII у Роберт Гук запропонував удосконалити барометр
Ртутним барометром користуватися незручно та небезпечно, тому винайшли барометр-анероїд.
Слайд 9
Чому рівень ртуті у трубці змінюється з висотою?
Слайд 10
Слайд 11
Слайд 12
На 100 м підйому тиск падає на 10 мм рт.
- З висоти 2000 м на 150 м підйому – 10мм рт.ст.;
- 6000 м на 200 м підйому - 10 мм.рт.ст.
- На висоті 10000 м-код атмосферний тиск 217 мм рт.ст.
- На висоті 20000 м-код 51 мм рт.ст.
Слайд 14
Крапки на карті з однаковим атмосферним тиском з'єднують лінії.
Слайд 15
Циклони та антициклони
- Земна поверхня нагрівається неоднаково, отже і атмосферний тиск у різних її частинах неоднаково
- Циклон – рухома область з низьким атмосферним тиском у центрі
- Антициклон – рухома область з високим атмосферним тиском у центрі
- Циклони та антициклони на картах позначаються замкнутими ізобарами
Слайд 16
Так ці вихори виглядають із космосу
Слайд 17
Атмосферний тиск (рекорди)
- Найвищий атмосферний тиск було зафіксовано у Красноярському краї 1968 року 812,8 мм рт.ст.
- Найнижче – на Філіппінах у 1979 році – 6525 мм рт.ст.
- Москва знаходиться на висоті 145 м-коду над рівнем моря. Саме високий тискдосягало 777,8 мм рт.ст. Найнижча 708 мм рт.ст.
- Чому людина не відчуває атмосферного тиску?
- Долоня 100 кв.см. На неї тисне стовп повітря атмосфери 100 кг.
Слайд 18
Індіанці Перу живуть на висоті 4000 м
Слайд 19
Розв'яжемо задачі
- Висота населеного пункту 2000 м-код на рівнем моря. Вирахуйте атмосферний тиск на даній висоті.
- На рівні моря атмосферний тиск 760 мм рт.
- На кожні 100 м підйому тиск падає на 10 мм рт.
- 2000:100=20
- 20х10 мм рт.ст. = 200
- 760мм рт.ст.-200 мм рт.ст. = 560 мм рт.ст.
Слайд 20
- Льотчик піднявся на висоту 2 км. Який атмосферний тиск повітря на цій висоті, якщо на поверхні землі він дорівнював 750 мм рт.ст.
- 2000:100=20
- 20х10 = 200
- 750-200=550
- Якою є висота гори, якщо біля підніжжя атмосферний тиск 765 мм рт.ст., а на вершині 720 мм рт.ст.?
- 765-720 = 45 мм рт.ст.
- На 100 м – 10 мм рт.
- На х м -45 мм рт.
- х = 100х45: 10 = 450м
Слайд 21
- Чому дорівнює відносна висота гірської вершини, якщо біля підошви гори барометр показує 740 мм, але в вершині – 440 мм.
- Різниця тиску 300мм, значить висота підняття =3000м
Слайд 22
- Біля підніжжя гори атмосферний тиск – 765 мм рт.ст. На якій висоті атмосферний тиск становитиме 705 мм рт.ст.
- У підніжжя височини тиск 760 мм рт.ст.
- Яка висота височини, якщо на вершині атмосферний тиск - 748 мм рт. Пагорб це чи гора?
- 765-705=60
- Різниця в тиску 60мм, отже на висоті 600м
- Різниця в тиску 12мм, значить висота підняття 120 м. Це пагорб, оскільки висота підняття не перевищує 200м.
Переглянути всі слайди
Людина на лижах і без них.
По пухкому снігу людина йде насилу, глибоко провалюючись при кожному кроці. Але, одягнувши лижі, він може йти майже не провалюючись у нього. Чому? На лижах або без лиж людина діє на сніг з однією і тією самою силою, що дорівнює своїй вазі. Однак дія цієї сили в обох випадках по-різному, тому що різна площа поверхні, на яку тисне людина, з лижами і без лиж. Площа поверхні лиж майже в 20 разів більша за площу підошви. Тому, стоячи на лижах, людина діє кожен квадратний сантиметр площі поверхні снігу з силою, у 20 разів меншою, ніж стоячи на снігу без лиж.
Учень, приколюючи кнопками газету до дошки, діє кожну кнопку з однаковою силою. Однак кнопка, що має гостріший кінець, легше входить у дерево.
Значить, результат дії сили залежить не тільки від її модуля, напряму та точки докладання, але й від площі тієї поверхні, до якої вона прикладена (перпендикулярно до якої вона діє).
Цей висновок підтверджують фізичні досліди.
Досвід. Результат дії цієї сили залежить від того, яка сила діє на одиницю площі поверхні.
По кутах невеликої дошки треба вбити цвяхи. Спочатку цвяхи, вбиті в дошку, встановимо на піску вістрями нагору і покладемо на дошку гирю. І тут капелюшки цвяхів лише трохи вдавлюються в пісок. Потім дошку перевернемо і поставимо цвяхи на вістря. У цьому випадку площа опори менша, і під дією тієї ж сили цвяхи значно заглиблюються в пісок.
Досвід. Друга ілюстрація.
Від того, яка сила діє на кожну одиницю площі поверхні залежить результат дії цієї сили.
У розглянутих прикладах сили діяли перпендикулярно до поверхні тіла. Вага людини була перпендикулярна поверхні снігу; сила, що діяла кнопку, перпендикулярна поверхні дошки.
Величина, що дорівнює відношенню сили, що діє перпендикулярно поверхні, до площі цієї поверхні, називається тиском.
Щоб визначити тиск, треба силу, що діє перпендикулярно до поверхні, розділити на площу поверхні:
тиск = сила/площа.
Позначимо величини, що входять до цього виразу: p, сила, що діє на поверхню, - Fта площа поверхні - S.
Тоді отримаємо формулу:
p = F/S
Зрозуміло, що більша за значенням сила, що діє на ту саму площу, буде чинити більший тиск.
За одиницю тиску приймається такий тиск, який чинить сила в 1 Н, що діє на поверхню площею 1 м 2 перпендикулярно до цієї поверхні.
Одиниця тиску - Ньютон на квадратний метр(1 Н/м2). На честь французького вченого Бліза Паскаля вона називається паскалем ( Па). Таким чином,
1 Па = 1 Н/м 2.
Використовуються також інші одиниці тиску: гектопаскаль (гПа) та кілопаскаль (кПа).
1 кПа = 1000 Па;
1 гПа = 100 Па;
1 Па = 0,001 кПа;
1 Па = 0,01 гПа.
Запишемо умову задачі та вирішимо її.
Дано : m = 45 кг, S = 300 см 2; p =?
В одиницях СІ: S = 0,03 м 2
Рішення:
p = F/S,
F = P,
P = g·m,
P= 9,8 Н · 45 кг ≈ 450 Н,
p= 450/0,03 Н/м 2 = 15000 Па = 15 кПа
"Відповідь": p = 15000 Па = 15 кПа
Способи зменшення та збільшення тиску.
Тяжкий гусеничний трактор робить на ґрунт тиск рівний 40 - 50 кПа, тобто всього в 2 - 3 рази більше, ніж тиск хлопчика масою 45 кг. Це пояснюється тим, що вага трактора розподіляється на більшу площу за рахунок гусеничної передачі. А ми встановили, що чим більша площа опори, тим менший тиск, що виробляється однією і тією ж силою на цю опору .
Залежно від того, чи потрібно отримати малий чи великий тиск, площа опори збільшується чи зменшується. Наприклад, для того, щоб грунт міг витримати тиск будівлі, що зводиться, збільшують площу нижньої частини фундаменту.
Шини вантажних автомобіліві шасі літаків роблять значно ширшим, ніж легкових. Особливо широкими роблять шини у автомобілів, призначених для пересування у пустелях.
Тяжкі машини, як трактор, танк або болотохід, маючи велику опорну площу гусениць, проходять по болотистій місцевості, якою не пройде людина.
З іншого боку, при малій площі поверхні можна невеликою силою зробити великий тиск. Наприклад, втискаючи кнопку в дошку, ми діємо на неї з силою близько 50 Н. Так як площа вістря кнопки приблизно 1 мм 2 , то тиск, що її виробляє, дорівнює:
p = 50 Н/0, 000001 м 2 = 50000000 Па = 50000 кПа.
Для порівняння, це тиск у 1000 разів більший за тиск, що виробляється гусеничним трактором на грунт. Можна знайти ще багато таких прикладів.
Лезо ріжучих та вістря колючих інструментів (ножів, ножиць, різців, пилок, голок та ін.) спеціально гостро відточується. Заточений край гострого леза має маленьку площу, тому за допомогою навіть малої сили створюється великий тиск і таким інструментом легко працювати.
Ріжучі та колючі пристосування зустрічаються і в живій природі: це зуби, пазурі, дзьоби, шипи та ін - всі вони з твердого матеріалу, гладкі і дуже гострі.
Тиск
Відомо, що молекули газу безладно рухаються.
Ми вже знаємо, що гази, на відміну від твердих тіл і рідин, заповнюють всю посудину, де знаходяться. Наприклад, сталевий балон для зберігання газів, камера автомобільної шини або волейбольний м'яч. При цьому газ тиск на стінки, дно і кришку балона, камери або будь-якого іншого тіла, в якому він знаходиться. Тиск газу зумовлений іншими причинами, ніж тиск твердого тілана опору.
Відомо, що молекули газу безладно рухаються. При своєму русі вони стикаються одна з одною, а також зі стінками судини, в якій знаходиться газ. Молекул у газі багато, тому і кількість їх ударів дуже велика. Наприклад, число ударів молекул повітря, що знаходиться в кімнаті, поверхню площею 1 см 2 за 1 с виражається двадцятитризначним числом. Хоча сила удару окремої молекули мала, але дію всіх молекул на стінки судини значно, - і створює тиск газу.
Отже, тиск газу на стінки судини (і на поміщене в газ тіло) викликається ударами молекул газу .
Розглянемо наступний досвід. Під дзвін повітряного насоса помістимо гумову кульку. Він містить невелику кількість повітря та має неправильну форму. Потім насосом відкачуємо повітря з-під дзвона. Оболонка кульки, навколо якої повітря стає все більш розрідженим, поступово роздмухується і набуває форми правильної кулі.
Як пояснити цей досвід?
Для зберігання та перевезення стисненого газу використовуються спеціальні міцні сталеві балони.
У нашому досвіді молекули газу, що рухаються, безперервно вдаряють об стінки кульки всередині і зовні. При відкачуванні повітря кількість молекул у дзвоні навколо оболонки кульки зменшується. Але всередині кульки їхня кількість не змінюється. Тому число ударів молекул про зовнішні стінки оболонки стає меншим, ніж число ударів про внутрішні стінки. Кулька роздмухується доти, доки сила пружності його гумової оболонки не стане рівною силі тиску газу. Оболонка кульки набуває форми кулі. Це показує, що газ тисне на її стінки по всіх напрямках однаково. Інакше висловлюючись, число ударів молекул, які припадають кожен квадратний сантиметр площі поверхні, у всіх напрямах однаково. Однакове тиск у всіх напрямах притаманно газу і є наслідком безладного руху великої кількості молекул.
Спробуємо зменшити обсяг газу, але так, щоб його маса залишилася незмінною. Це означає, що у кожному кубічному сантиметрі газу молекул побільшає, щільність газу збільшиться. Тоді число ударів молекул об стінки збільшиться, тобто зросте тиск газу. Це можна підтвердити досвідом.
На малюнку азображена скляна трубка, один кінець якої закритий тонкою гумовою плівкою. У трубку вставлено поршень. При всмоктуванні поршня об'єм повітря в трубці зменшується, тобто газ стискається. Гумова плівка при цьому вигинається назовні, вказуючи на те, що тиск повітря в трубці збільшився.
Навпаки, зі збільшенням обсягу цієї маси газу, число молекул у кожному кубічному сантиметрі зменшується. Від цього зменшиться кількість ударів об стінки судини - тиск газу поменшає. Дійсно, при витягуванні поршня з трубки обсяг повітря збільшується, плівка прогинається всередину судини. Це вказує на зменшення тиску повітря у трубці. Такі ж явища спостерігалися б, якби замість повітря в трубці знаходився будь-який інший газ.
Отже, при зменшенні обсягу газу його тиск збільшується, а при збільшенні обсягу тиск зменшується за умови, що маса та температура газу залишаються незмінними.
А як зміниться тиск газу, якщо його нагріти при постійному обсязі? Відомо, що швидкість руху молекул газу під час нагрівання збільшується. Рухаючись швидше, молекули ударятимуть об стінки судини частіше. Крім того, кожен удар молекули об стінку буде сильнішим. Внаслідок цього, стінки судини зазнають більшого тиску.
Отже, тиск газу в закритій посудинітим більше, чим вища температура газу, за умови, що маса газу та обсяг не змінюються.
З цих дослідів можна зробити загальний висновок, що тиск газу тим більше, чим частіше і сильніше молекули вдаряють об стінки судини .
Для зберігання та перевезення газів їх сильно стискають. При цьому тиск їх зростає, гази необхідно укладати у спеціальні, дуже міцні балони. У таких балонах, наприклад, містять стиснене повітря в підводних човнах, кисень, що використовується при зварюванні металів. Звичайно ж, ми повинні запам'ятати, що газові балони не можна нагрівати, тим більше, коли вони заповнені газом. Тому що, як ми вже розуміємо, може статися вибух із дуже неприємними наслідками.
Закон Паскаля.
Тиск передається в кожну точку рідини чи газу.
Тиск поршня передається у кожну точку рідини, що заповнює кулю.
Тепер газ.
На відміну від твердих тіл окремі шари та дрібні частинки рідини та газу можуть вільно переміщатися відносно один одного у всіх напрямках. Достатньо, наприклад, злегка подути на поверхню води у склянці, щоб викликати рух води. На річці або озері при найменшому вітерці з'являється бриж.
Рухливістю частинок газу та рідини пояснюється, що тиск, вироблений ними, передається у напрямі дії сили, а кожну точку. Розглянемо це докладніше.
На малюнку, азображена посудина, в якій міститься газ (або рідина). Частинки поступово розподілені по всій посудині. Посудину закрито поршнем, який може переміщатися вгору та вниз.
Додаючи деяку силу, змусимо поршень трохи переміститися всередину і стиснути газ (рідина), що знаходиться безпосередньо під ним. Тоді частинки (молекули) розташуються тут щільніше, ніж раніше (рис, б). Завдяки рухливості частинки газу переміщатимуться у всіх напрямках. Внаслідок цього їх розташування знову стане рівномірним, але щільнішим, ніж раніше (рис, в). Тому тиск газу усюди зросте. Отже, додатковий тиск передається всім часткам газу чи рідини. Так, якщо тиск на газ (рідина) біля самого поршня збільшиться на 1 Па, то у всіх точках всерединігазу або рідини тиск стане більше колишнього на стільки ж. На 1 Па збільшиться тиск і стінки судини, і дно, і поршень.
Тиск, що виробляється на рідину або газ, передається на будь-яку точку однаково у всіх напрямках .
Це твердження називається законом Паскаля.
На основі закону Паскаля легко пояснити такі досліди.
На малюнку зображена порожня куля, що має в різних місцях невеликі отвори. До кулі приєднано трубку, в яку вставлено поршень. Якщо набрати води в кулю і всунути в трубку поршень, вода поллється з усіх отворів кулі. У цьому досвіді поршень тисне на поверхню води у трубці. Частинки води, що знаходяться під поршнем, ущільнюючись, передають його тиск іншим шарам, що лежать глибше. Таким чином, тиск поршня передається в кожну точку рідини, що заповнює шар. В результаті частина води виштовхується з кулі у вигляді однакових струмків, що випливають із усіх отворів.
Якщо шар заповнити димом, то при всуненні поршня в трубку з усіх отворів кулі почнуть виходити однакові струмки диму. Це підтверджує, що і гази передають чинний на них тиск на всі боки однаково.
Тиск у рідині та газі.
Під дією ваги рідини гумове дно у трубці прогнеться.
На рідини, як і всі тіла Землі, діє сила тяжкості. Тому кожен шар рідини, налитої в посудину, своєю вагою створює тиск, який за законом Паскаля передається в усіх напрямках. Отже, усередині рідини існує тиск. У цьому вся можна переконатися на досвіді.
У скляну трубку, нижній отвір якої закрито тонкою гумовою плівкою, наллємо воду. Під дією ваги рідини дно трубки прогнеться.
Досвід показує, що чим вище стовп води над гумовою плівкою, тим більше вона прогинається. Але щоразу після того, як гумове дно прогнулося, вода в трубці приходить у рівновагу (зупиняється), оскільки, крім сили тяжіння, на воду діє сила пружності розтягнутої гумової плівки.
Сили, що діють на гумову плівку, |
однакові з обох боків. |
Ілюстрація.
Дно відходить від циліндра через тиск на нього сили тяжіння.
Опустимо трубку з гумовим дном, в яку налита вода, в іншу, більш широку посудину з водою. Ми побачимо, що з опусканням трубки гумова плівка поступово випрямляється. Повне випрямлення плівки показує, що сили, що діють її зверху і знизу, рівні. Настає повне випрямлення плівки тоді, коли рівні води в трубці та посудині збігаються.
Такий же досвід можна провести з трубкою, в якій гумова плівка закриває бічний отвір, як показано на малюнку, а. Зануримо цю трубку з водою в іншу посудину з водою, як це зображено на малюнку, б. Ми помітимо, що плівка знову випрямиться, як рівні води в трубці і посудині зрівняються. Це означає, що сили, що діють на гумову плівку, однакові з усіх боків.
Візьмемо посудину, дно якої може відпадати. Опустимо його у банку з водою. Дно при цьому виявиться щільно притисненим до краю судини і не відпаде. Його притискає сила тиску води, спрямована знизу нагору.
Обережно наливатимемо воду в посудину і слідкуватимемо за його дном. Щойно рівень води у посудині збігається з рівнем води у банку, воно відпаде від судини.
У момент відриву на дно тисне зверху вниз стовп рідини в посудині, а знизу вгору на дно передається тиск такого ж за висотою стовпа рідини, але в банку. Обидва ці тиски однакові, дно ж відходить від циліндра внаслідок дії на нього власної сили тяжіння.
Вище були описані досліди з водою, але якщо взяти замість води будь-яку іншу рідину, результати досліду будуть ті самі.
Отже, досліди свідчать, що всередині рідини існує тиск, і на тому самому рівні воно однаково по всіх напрямках. З глибиною тиск збільшується.
Гази в цьому відношенні не відрізняються від рідин, адже вони теж мають вагу. Але треба пам'ятати, що щільність газу в сотні разів менша за щільність рідини. Вага газу, що знаходиться в посудині, мала, і його "ваговий" тиск у багатьох випадках можна не враховувати.
Розрахунок тиску рідини на дно та стінки судини.
Розрахунок тиску рідини на дно та стінки судини.
Розглянемо, як можна розраховувати тиск рідини на дно та стінки судини. Розв'яжемо спочатку задачу для судини, що має форму прямокутного паралелепіпеда.
Сила F, з якою рідина, налита в цю посудину, тисне на його дно, що дорівнює вазі Pрідини, що у посудині. Вага рідини можна визначити, знаючи її масу m. Масу, як відомо, можна обчислити за такою формулою: m = ρ·V. Об'єм рідини, налитої у вибрану нами посудину, легко розрахувати. Якщо висоту стовпа рідини, що знаходиться в посудині, позначити літерою h, а площа дна судини S, то V = S·h.
Маса рідини m = ρ·V, або m = ρ·S·h .
Вага цієї рідини P = g·m, або P = g·ρ·S·h.
Оскільки вага стовпа рідини дорівнює силі, з якою рідина тисне на дно судини, то розділивши вагу Pна площу S, отримаємо тиск рідини p:
p = P/S , або p = g·ρ·S·h/S,
Ми отримали формулу розрахунку тиску рідини на дно судини. З цієї формули видно, що тиск рідини на дно судини залежить тільки від щільності та висоти стовпа рідини.
Отже, за виведеною формулою можна розраховувати тиск рідини, налитої в посудину будь-якої форми(Строго кажучи, наш розрахунок годиться тільки для судин, що мають форму прямої призми та циліндра. У курсах фізики для інституту доведено, що формула правильна і для судини довільної форми). Крім того, по ній можна обчислити тиск на стінки судини. Тиск усередині рідини, у тому числі тиск знизу вгору, також розраховується за цією формулою, так як тиск на одній і тій же глибині однаковий у всіх напрямках.
При розрахунку тиску за формулою p = gρhтреба щільність ρ виражати у кілограмах на кубічний метр (кг/м 3 ), а висоту стовпа рідини h- у метрах (м), g= 9,8 Н/кг, тоді тиск буде виражено у паскалях (Па).
Приклад. Визначте тиск нафти на дно цистерни, якщо висота стовпа нафти 10 м, а густина її 800 кг/м 3 .
Запишемо умову задачі та запишемо її.
Дано :
ρ = 800 кг/м3
Рішення :
p = 9.8 Н/кг · 800 кг/м 3 · 10 м ≈ 80 000 Па ≈ 80 кПа.
Відповідь : p ≈ 80 кПа.
Сполучені судини.
Сполучені судини.
На малюнку зображено дві судини, з'єднані між собою гумовою трубкою. Такі судини називаються повідомляються. Лійка, чайник, кавник – приклади сполучених судин. З досвіду ми знаємо, що вода, налита, наприклад, у лійку, завжди стоїть на одному рівні в носику і всередині.
Сполучені судини зустрічаються нам часто. Наприклад, ним може бути чайник, лійка або кавник. |
Поверхні однорідної рідини встановлюються одному рівні в сполучених судинах будь-якої форми. |
Різні за густиною рідини. |
З сполученими судинами можна зробити такий простий досвід. На початку досвіду гумову трубку затискаємо всередині, і в одну з трубок наливаємо воду. Потім затиск відкриваємо, і вода вмить перетікає в іншу трубку, доки поверхні води в обох трубках не встановляться на одному рівні. Можна закріпити одну з трубок у штативі, а іншу піднімати, опускати або нахиляти у різні боки. І в цьому випадку, коли рідина заспокоїться, її рівні в обох трубках зрівняються.
У сполучених судинах будь-якої форми та перерізу поверхні однорідної рідини встановлюються на одному рівні(за умови, що тиск повітря над рідиною однаковий) (рис. 109).
Це можна обґрунтувати в такий спосіб. Рідина спочиває, не переміщаючись з однієї судини до іншої. Отже, тиски в обох судинах будь-якому рівні однакові. Рідина в обох судинах одна й та сама, тобто має однакову щільність. Отже, мають бути однакові та її висоти. Коли ми піднімаємо один посудину або доливаємо в нього рідину, тиск у ньому збільшується і рідина переміщується в інший посуд доти, доки тиску не врівноважать.
Якщо в один із сполучених судин налити рідину однієї щільності, а в другій - іншій щільності, то при рівновазі рівні цих рідин не будуть однаковими. І це зрозуміло. Адже ми знаємо, що тиск рідини на дно судини прямо пропорційно висоті стовпа і щільності рідини. А в цьому випадку густини рідин будуть різні.
При рівності тисків висота стовпа рідини з більшою щільністю буде меншою за висоту стовпа рідини з меншою щільністю (мал.).
Досвід. Як визначити масу повітря?
Вага повітря. Атмосферний тиск.
Існування атмосферного тиску.
Атмосферний тиск більший, ніж тиск розрідженого повітря в посудині.
На повітря, як і на всяке тіло, що знаходиться на Землі, діє сила тяжіння, і, отже, повітря має вагу. Вагу повітря легко вирахувати, знаючи його масу.
На досвіді покажемо, як визначити масу повітря. Для цього потрібно взяти міцну скляну кулю з пробкою та гумовою трубкою із затискачем. Викачаємо з нього насосом повітря, затиснемо трубку затискачем і врівноважений на терезах. Потім, відкривши затискач на гумовій трубці, впустимо повітря. Рівнавага терезів при цьому порушиться. Для його відновлення на іншу чашку терезів доведеться покласти гирі, маса яких дорівнюватиме масі повітря в обсязі кулі.
Досвідами встановлено, що при температурі 0 °С та нормальному атмосферному тиску маса повітря об'ємом 1 м 3 дорівнює 1,29 кг. Вага цього повітря легко вирахувати:
P = g·m, P = 9,8 Н/кг · 1,29 кг ≈ 13 Н.
Повітряна оболонка, що оточує Землю, називається атмосфера (Від грец. атмос- пар, повітря, та сфера- Куля).
Атмосфера, як показали спостереження за польотом штучних супутників Землі, тягнеться на висоту кількох тисяч кілометрів.
Внаслідок дії сили тяжіння верхні шари атмосфери, подібно до води океану, стискають нижні шари. Повітряний шар, що прилягає безпосередньо до Землі, стиснутий найбільше і, згідно із законом Паскаля, передає тиск, що на нього проводиться, по всіх напрямках.
В результаті цього земна поверхняі тіла, що знаходяться на ній, зазнають тиску всієї товщі повітря, або, як зазвичай говориться в таких випадках, відчувають атмосферний тиск .
Існуванням атмосферного тиску можна пояснити багато явища, з якими ми зустрічаємося у житті. Розглянемо деякі з них.
На малюнку зображена скляна трубка, всередині якої знаходиться поршень, що щільно прилягає до стінок трубки. Кінець трубки опущено воду. Якщо піднімати поршень, то за ним підніматиметься і вода.
Це явище використовується у водяних насосах та деяких інших пристроях.
На малюнку показана циліндрична судина. Він закритий пробкою, в яку вставлено трубку з краном. З посудини насосом відкачується повітря. Потім кінець трубки міститься у воду. Якщо тепер відкрити кран, то вода фонтаном бризне всередину судини. Вода надходить у посудину тому, що атмосферний тиск більший за тиск розрідженого повітря в посудині.
Чому існує повітряна оболонка Землі?
Як і всі тіла молекули газів, що входять до складу повітряної оболонки Землі, притягуються до Землі.
Але чому тоді всі вони не впадуть на поверхню Землі? Як зберігається повітряна оболонка Землі, її атмосфера? Щоб зрозуміти це, треба врахувати, що молекули газів перебувають у безперервному та безладному русі. Але тоді виникає інше питання: чому ці молекули не відлітають у світовий простір, тобто у космос.
Для того, щоб зовсім покинути Землю, молекула, як і космічний корабельабо ракета повинна мати дуже велику швидкість (не менше 11,2 км/с). Це так звана друга космічна швидкість. Швидкість більшості молекул повітряної оболонки Землі значно менша від цієї космічної швидкості. Тому більшість їх прив'язана до Землі силою тяжіння, лише мізерно мала молекула відлітає за межі Землі в космос.
Безладний рух молекул і вплив на них сили тяжіння призводять в результаті до того, що молекули газів "парять" у просторі біля Землі, утворюючи повітряну оболонку, або відому нам атмосферу.
Вимірювання показують, що густина повітря швидко зменшується з висотою. Так, на висоті 5,5 км над Землею щільність повітря в 2 рази менша за його щільність на поверхні Землі, на висоті 11 км - у 4 рази менша, і т. д. Чим вище, тим повітря розрідженіше. І нарешті, у верхніх шарах (сотні і тисячі кілометрів над Землею) атмосфера поступово переходить у безповітряний простір. Чіткого кордону повітряна оболонка Землі немає.
Строго кажучи, внаслідок дії сили тяжіння щільність газу в будь-якій закритій посудині неоднакова по всьому об'єму судини. Внизу судини щільність газу більша, ніж у верхніх його частинах, тому й тиск у посудині неоднаковий. На дні судини вона більша, ніж угорі. Однак для газу, що міститься в посудині, ця відмінність у щільності та тиску настільки мало, що його можна у багатьох випадках зовсім не враховувати, просто знати про це. Але для атмосфери, що тягнеться на кілька тисяч кілометрів, відмінність це суттєво.
Вимірювання атмосферного тиску. Досвід Торрічеллі.
Розрахувати атмосферний тиск за формулою для обчислення тиску стовпа рідини (§ 38) не можна. Для такого розрахунку треба знати висоту атмосфери та щільність повітря. Але певної межі в атмосфері немає, а щільність повітря різною висоті різна. Проте виміряти атмосферний тиск можна за допомогою досвіду, запропонованого в 17 столітті італійським ученим Еванджеліста Торрічеллі , учнем Галілея.
Досвід Торрічеллі полягає в наступному: скляну трубку довжиною близько 1 м, запаяну з одного кінця, наповнюють ртуттю. Потім щільно закривши другий кінець трубки, її перевертають і опускають у чашку з ртуттю, де під рівнем ртуті відкривають цей кінець трубки. Як і в будь-якому досвіді з рідиною, частина ртуті при цьому виливається в чашку, частина її залишається в трубці. Висота стовпа ртуті, що залишилася в трубці, дорівнює приблизно 760 мм. Над ртуттю всередині трубки повітря немає, там безповітряний простір, тому ніякий газ не чинить тиску зверху на стовп ртуті всередині цієї трубки і не впливає на вимірювання.
Торрічеллі, який запропонував описаний вище досвід, дав його пояснення. Атмосфера тисне на поверхню ртуті у чашці. Ртуть перебуває у рівновазі. Отже, тиск у трубці на рівні аа 1 (див. рис) дорівнює атмосферному тиску. При зміні атмосферного тиску змінюється висота стовпа ртуті в трубці. При збільшенні тиску стовпчик подовжується. При зменшенні тиску стовп ртуті зменшує свою висоту.
Тиск у трубці на рівні аа1 створюється вагою стовпа ртуті у трубці, тому що у верхній частині трубки над ртуттю повітря немає. Звідси слідує що атмосферний тиск дорівнює тиску стовпа ртуті у трубці , тобто.
pатм = pртуті.
Чим більший атмосферний тиск, тим вище стовп ртуті у досвіді Торрічеллі. Тому на практиці атмосферний тиск можна виміряти заввишки ртутного стовпа (у міліметрах чи сантиметрах). Якщо, наприклад, атмосферний тиск дорівнює 780 мм рт. ст. (Кажуть "міліметрів ртутного стовпа"), то це означає, що повітря робить такий же тиск, який робить вертикальний стовп ртуті заввишки 780 мм.
Отже, у разі за одиницю виміру атмосферного тиску приймається 1 міліметр ртутного стовпа (1 мм рт. ст.). Знайдемо співвідношення між цією одиницею та відомою нам одиницею - паскалем(Па).
Тиск стовпа ртуті ρ ртуті заввишки 1 мм дорівнює:
p = g·ρ·h, p= 9,8 Н/кг · 13600 кг/м 3 · 0,001 м ≈ 133,3 Па.
Отже, 1 мм рт. ст. = 133,3 Па.
В даний час атмосферний тиск прийнято вимірювати в гектопаскалі (1 гПа = 100 Па). Наприклад, у зводках погоди може бути оголошено, що тиск дорівнює 1013 гПа, це те саме, що 760 мм рт. ст.
Спостерігаючи щодня за висотою ртутного стовпа в трубці, Торрічеллі виявив, що ця висота змінюється, тобто атмосферний тиск непостійний, може збільшуватися і зменшуватися. Торрічеллі зауважив також, що атмосферний тиск пов'язаний із зміною погоди.
Якщо до трубки з ртуттю, що використовувалася в досвіді Торрічеллі, прикріпити вертикальну шкалу, то вийде найпростіший прилад. ртутний барометр (Від грец. барос- тяжкість, метрео- Вимірюю). Він служить вимірювання атмосферного тиску.
Барометр – анероїд.
У практиці для вимірювання атмосферного тиску використовують металевий барометр анероїдом (у перекладі з грецької - безрідковий). Так барометр називають тому, що в ньому немає ртуті.
Зовнішній вигляд анероїду зображено малюнку. Головна частина його - металева коробочка 1 із хвилястою (гофрованою) поверхнею (див. рис.). З цієї коробочки викачано повітря, а щоб атмосферний тиск не роздавило коробочку, її кришка 2 пружиною відтягується вгору. При збільшенні атмосферного тиску кришка прогинається вниз та натягує пружину. При зменшенні тиску пружина випрямляє кришку. До пружини за допомогою передавального механізму 3 прикріплена стрілка-покажчик 4, яка просувається праворуч або ліворуч при зміні тиску. Під стрілкою укріплено шкалу, розподілу якої нанесено за показаннями ртутного барометра. Так, число 750, проти якого стоїть стрілка анероїда (див. мал.), показує, що в даний моменту ртутному барометрі висота ртутного стовпа 750 мм.
Отже, атмосферний тиск дорівнює 750 мм рт. ст. або ≈ 1000 гПа.
Значення атмосферного тиску дуже важливе для передбачення погоди найближчими днями, оскільки зміна атмосферного тиску пов'язані з зміною погоди. Барометр – необхідний прилад для метеорологічних спостережень.
Атмосферний тиск різних висотах.
У рідині тиск, як ми знаємо, залежить від щільності рідини та висоти її стовпа. Внаслідок малої стисливості щільність рідини різних глибинах майже однакова. Тому, обчислюючи тиск, ми вважаємо її щільність постійною та враховуємо лише зміну висоти.
Складніша справа з газами. Гази сильно стисливі. А чим сильніше газ стиснутий, тим більша його щільність, і тим більший тиск він чинить. Адже тиск газу створюється ударами його молекул об поверхню тіла.
Шари повітря біля Землі стиснуті усіма вищележачими шарами повітря, що є над ними. Але що вище поверхні шар повітря, тим слабше він стиснутий, тим менше його щільність. Отже, тим менший тиск він чинить. Якщо, наприклад, повітряна куля піднімається над поверхнею Землі, то тиск повітря на кулю стає меншим. Це відбувається не тільки тому, що висота стовпа повітря над ним зменшується, але ще й тому, що щільність повітря зменшується. Вгорі вона менша, ніж унизу. Тому залежність тиску повітря від висоти складніша, ніж рідини.
Спостереження показують, що атмосферний тиск у місцевостях, що лежать на рівні моря, в середньому дорівнює 760 мм рт. ст.
Атмосферний тиск, що дорівнює тиску стовпа ртуті заввишки 760 мм при температурі 0 °С, називається нормальним атмосферним тиском.
Нормальний атмосферний тискодно 101300 Па = 1013 гПа.
Чим більша висота над рівнем моря, тим тиск менший.
При невеликих підйомах в середньому на кожні 12 м підйому тиск зменшується на 1 мм рт. ст. (або 1,33 гПа).
Знаючи залежність тиску від висоти, можна змінити показань барометра визначити висоту над рівнем моря. Анероїди, що мають шкалу, за якою безпосередньо можна виміряти висоту над рівнем моря, називаються висотомірами . Їх застосовують в авіації та підйомі на гори.
манометри.
Ми вже знаємо, що для виміру атмосферного тиску застосовують барометри. Для вимірювання тиску, більшого або меншого атмосферного, використовується манометри (Від грец. манос- рідкісний, нещільний, метрео- Вимірюю). Манометри бувають рідинніі металеві.
|
|
Розглянемо спочатку пристрій та дію відкритого рідинного манометра. Він складається з двоколінної скляної трубки, в яку наливається якась рідина. Рідина встановлюється в обох колінах на одному рівні, тому що на її поверхню в колінах судини діє лише атмосферний тиск.
Щоб зрозуміти, як працює такий манометр, його можна з'єднати гумовою трубкою із круглою плоскою коробкою, одна сторона якої затягнута гумовою плівкою. Якщо натиснути пальцем на плівку, рівень рідини в коліні манометра, з'єднаному в коробкою, знизиться, а в іншому коліні підвищиться. Чим це пояснюється?
При натисканні на плівку збільшується тиск повітря у коробці. За законом Паскаля це збільшення тиску передається і рідини у тому коліні манометра, яке приєднано до коробки. Тому тиск на рідину в цьому коліні буде більшим, ніж в іншому, де на рідину діє тільки атмосферний тиск. Під впливом сили цього надлишкового тиску рідина почне переміщатися. У коліні зі стисненим повітрям рідина опуститься, в іншому – підніметься. Рідина прийде в рівновагу (зупиниться), коли надлишковий тиск стисненого повітря врівноважується тиском, що виробляє надлишковий стовп рідини в іншому коліні манометра.
Чим сильніше тиснути на плівку, тим вище надлишковий стовп рідини, тим більший тиск. Отже, про зміну тиску можна судити за висотою цього надлишкового стовпа.
На малюнку показано, як таким манометром можна вимірювати тиск усередині рідини. Чим глибше занурюється в рідину трубочка, тим більше стає різниця висот стовпів рідини в колінах манометра, тим, отже, і більший тиск чинить рідина.
Якщо встановити коробочку приладу на якійсь глибині всередині рідини і повертати її плівкою вгору, вбік і вниз, то показання манометра при цьому не змінюватиметься. Так і має бути, адже на тому самому рівні всередині рідини тиск однаковий по всіх напрямках.
На малюнку зображено металевий манометр . Основна частина такого манометра - зігнута у трубу металева трубка 1 , один кінець якої закрито. Інший кінець трубки за допомогою крана 4 повідомляється з судиною, у якій вимірюють тиск. При збільшенні тиску трубка розгинається. Рух її закритого кінця за допомогою важеля 5 та зубчатки 3 передається стрілці 2 , що рухається біля шкали приладу. При зменшенні тиску трубка завдяки своїй пружності повертається в колишнє положення, а стрілка - до нульового поділу шкали.
Поршневий рідинний насос.
У досвіді, розглянутому нами раніше (§ 40), було встановлено, що вода у скляній трубці під дією атмосферного тиску піднімалася за поршнем. На цьому ґрунтується дія поршневихнасосів.
Насос схематично зображений малюнку. Він складається з циліндра, всередині якого ходить вгору і вниз, щільно прилягаючи до стінок судини, поршень 1 . У нижній частині циліндра та в самому поршні встановлені клапани 2 відкривається тільки вгору. При русі поршня вгору вода під впливом атмосферного тиску входить у трубу, піднімає нижній клапан і рухається за поршнем.
При русі поршня вниз вода, що знаходиться під поршнем, тисне на нижній клапан, і він закривається. Одночасно під тиском води відкривається клапан усередині поршня, і вода перетворюється на простір над поршнем. При наступному русі поршня вгору в місці з ним піднімається і вода, що знаходиться над ним, яка і виливається в трубу, що відводить. Одночасно за поршнем піднімається і нова порція води, яка при подальшому опусканні поршня виявиться над ним, і вся ця процедура повторюється знову і знову, поки насос працює.
Гідравлічний прес.
Закон Паскаля дозволяє пояснити дію гідравлічної машини (Від грец. гідравлікос- Водяний). Це машини, дія яких заснована на законах руху та рівноваги рідин.
Основною частиною гідравлічної машини служать два циліндри різного діаметра, забезпечені поршнями та сполучною трубкою. Простір під поршнями та трубку заповнюють рідиною (зазвичай мінеральною олією). Висоти стовпів рідини в обох циліндрах однакові, доки поршні не діють сили.
Допустимо тепер, що сили F 1 та F 2 - сили, що діють на поршні, S 1 та S 2 – площі поршнів. Тиск під першим (малим) поршнем дорівнює p 1 = F 1 / S 1 , а під другим (великим) p 2 = F 2 / S 2 . За законом Паскаля тиск рідиною, що спочиває, на всі боки передається однаково, тобто. p 1 = p 2 або F 1 / S 1 = F 2 / S 2 , звідки:
F 2 / F 1 = S 2 / S 1 .
Отже, сила F 2 у стільки разів більше сили F 1 , у скільки разів площа великого поршня більша за площу малого поршня. Наприклад, якщо площа великого поршня 500 см 2 , а малого 5 см 2 і на малий поршень діє сила 100 Н, то на більший поршень діятиме сила, в 100 разів більша, тобто 10 000 Н.
Таким чином, за допомогою гідравлічної машини можна малою силою врівноважити більшу силу.
Ставлення F 1 / F 2 показує виграш у силі. Наприклад, у наведеному прикладі виграш у силі дорівнює 10000 Н/100 Н = 100.
Гідравлічна машина, що служить для пресування (здавлювання), називається гідравлічним пресом .
Гідравлічні преси застосовуються там, де потрібна велика сила. Наприклад, для вичавлювання олії з насіння на олійних заводах, для пресування фанери, картону, сіна. На металургійних заводах гідравлічні преси використовують із виготовлення сталевих валів машин, залізничних коліс та інших виробів. Сучасні гідравлічні преси можуть розвивати силу в десятки та сотні мільйонів ньютонів.
Пристрій гідравлічного преса схематично показано малюнку. Тіло 1 (A), що пресується, кладуть на платформу, з'єднану з великим поршнем 2 (B). З допомогою малого поршня 3 (D) створюється великий тиск рідина. Цей тиск передається у кожну точку рідини, що заповнює циліндри. Тому такий тиск діє і на другий, великий поршень. Але так як площа 2-го (великого) поршня більша за площу малого, то і сила, що діє на нього, буде більше сили, що діє на поршень 3 (D). Під дією цієї сили поршень 2 (B) підніматиметься. При підйомі поршня 2 (B) тіло (A) упирається у нерухому верхню платформу та стискається. З допомогою манометра 4 (M) вимірюється тиск рідини. Запобіжний клапан 5 (P) автоматично відкривається, коли тиск рідини перевищує допустиме значення.
З малого циліндра великий рідина перекачується повторними рухами малого поршня 3 (D). Це здійснюється в такий спосіб. При підйомі малого поршня (D) клапан 6 (K) відкривається і в простір, що знаходиться під поршнем, засмоктується рідина. При опусканні малого поршня під дією тиску рідини клапан 6 (K) закривається, а клапан 7 (K") відкривається і рідина переходить у велику посудину.
Дія води та газу на занурене в них тіло.
Під водою ми легко можемо підняти камінь, який важко піднімається в повітрі. Якщо занурити пробку під воду і випустити її з рук, вона спливе. Як пояснити ці явища?
Ми знаємо (§ 38), що рідина тисне на дно та стінки судини. І якщо всередину рідини помістити якесь тверде тіло, то воно також буде піддаватися тиску, як і стінки судини.
Розглянемо сили, що діють із боку рідини на занурене у ній тіло. Щоб легше було міркувати, виберемо тіло, яке має форму паралелепіпеда з основами, паралельними поверхні рідини (рис.). Сили, що діють на бічні грані тіла, попарно рівні та врівноважують одна одну. Під впливом цих сил тіло стискається. А ось сили, що діють на верхню та нижню грані тіла, неоднакові. На верхню грань тисне зверху силою F 1 стовп рідини заввишки h 1 . На рівні нижньої грані тиск робить стовп рідини заввишки h 2 . Цей тиск, як ми знаємо (§ 37), передається всередині рідини на всі боки. Отже, на нижню грань тіла знизу нагору з силою F 2 тисне стовп рідини заввишки h 2 . Але h 2 більше h 1 , отже, і модуль сили F 2 більше модуля сили F 1 . Тому тіло виштовхується з рідини із силою Fвит, рівної різниці сил F 2 - F 1, тобто.
|
|
Але S·h = V, де V - об'єм паралелепіпеда, а ρ ж · V = m ж - маса рідини в обсязі паралелепіпеда. Отже, F вит = g·m ж = P ж, тобто. виштовхувальна сила дорівнює вазі рідини в обсязі зануреного в неї тіла(виштовхувальна сила дорівнює вазі рідини такого ж об'єму, як і об'єм зануреного в неї тіла). Існування сили, що виштовхує тіло з рідини, легко виявити на досвіді. На малюнку азображено тіло, підвішене до пружини зі стрілкою вказівником на кінці. Стрілка відзначає на штативі розтяг пружини. При відпусканні тіла у воду пружина скорочується (мал. б). Таке ж скорочення пружини вийде, якщо діяти на тіло знизу вгору з деякою силою, наприклад, натиснути рукою (підняти). Отже, досвід підтверджує, що на тіло, що знаходиться в рідині, діє сила, яка виштовхує це тіло з рідини. До газів, як ми знаємо, також застосуємо закон Паскаля. Тому на тіла, що знаходяться в газі, діє сила, що виштовхує їх із газу. Під дією цієї сили повітряні кулі піднімаються нагору. Існування сили, що виштовхує тіло з газу, також можна спостерігати на досвіді. До укороченої чашки терезів підвісимо скляну кулю або велику колбу, закриту пробкою. Терези врівноважуються. Потім під колбу (або кулю) ставлять широку посудину так, щоб вона оточувала всю колбу. Посудина наповнюється вуглекислим газом, щільність якого більша за щільність повітря (тому вуглекислий газ опускається вниз і заповнює посудину, витісняючи з нього повітря). При цьому рівновага ваги порушується. Чашка з підвішеною колбою піднімається нагору (мал.). На колбу, занурену у вуглекислий газ, діє велика виштовхувальна сила, порівняно з тією, що діє на неї в повітрі. Сила, що виштовхує тіло з рідини або газу, протилежно спрямована силі тяжіння, прикладеної до цього тіла. Тому пролкосмосі). Саме цим пояснюється, що у воді ми іноді легко піднімаємо тіла, які важко утримуємо в повітрі. До пружини підвішується невелике цебро і тіло циліндричної форми (рис., а). Стрілка на штативі відзначає розтяг пружини. Вона показує вагу тіла у повітрі. Піднявши тіло, під нього підставляється відливна судина, наповнена рідиною до рівня відливної трубки. Після чого тіло занурюється повністю в рідину (рис. б). При цьому частина рідини, об'єм якої дорівнює об'єму тіла, виливаєтьсяз відливної судини у склянку. Пружина скорочується, і вказівник пружини піднімається нагору, показуючи зменшення ваги тіла в рідині. В даному випадку на тіло, крім сили тяжіння, діє ще одна сила, яка виштовхує його з рідини. Якщо у верхнє цебро вилити рідину зі склянки (тобто ту, яку витіснило тіло), то вказівник пружини повернеться до свого початкового положення (рис., в).
На підставі цього досвіду можна зробити висновок, що сила, що виштовхує повністю занурене в рідину тіло, дорівнює вазі рідини в обсязі цього тіла . Такий самий висновок ми отримали і в § 48. Якщо подібний досвід зробити з тілом, зануреним у якийсь газ, то він показав би, що сила, що виштовхує тіло з газу, також дорівнює вазі газу, взятого в обсязі тіла . Сила, що виштовхує тіло з рідини чи газу, називається архімедовою силою, на честь вченого Архімеда , який вперше вказав на її існування та розрахував її значення. Отже, досвід підтвердив, що архімедова (або виштовхує) сила дорівнює вазі рідини обсягом тіла, тобто. FА = Pж = g·mж. Масу рідини m ж, що витісняється тілом, можна виразити через її щільність ρ ж і об'єм тіла V т, зануреного в рідину (оскільки V ж - обсяг витісненої тілом рідини дорівнює V т - об'єму тіла, зануреного в рідину), тобто. m ж = ρ ж · V т. Тоді отримаємо: F A = g·ρж · Vт Отже, архімедова сила залежить від густини рідини, в яку занурене тіло, і від об'єму цього тіла. Але вона не залежить, наприклад, від щільності речовини тіла, що занурюється в рідину, так як ця величина не входить до отриманої формули. Визначимо тепер вагу тіла, зануреного в рідину (або газ). Так як дві сили, що діють на тіло в цьому випадку, спрямовані в протилежні сторони (сила тяжіння вниз, а архімедова сила вгору), то вага тіла в рідині P 1 буде менше ваги тіла у вакуумі P = g·mна архімедову силу FА = g·mж (де mж - маса рідини чи газу, витісненої тілом). Таким чином, якщо тіло занурене в рідину або газ, воно втрачає у своїй вазі стільки, скільки важить витіснена ним рідина або газ. Приклад. Визначити виштовхувальну силу, що діє камінь обсягом 1,6 м 3 в морській воді. Запишемо умову задачі та вирішимо її. Коли тіло, що спливає, досягне поверхні рідини, то при подальшому його русі вгору архімедова сила буде зменшуватися. Чому? А тому, що зменшуватиметься об'єм частини тіла, зануреної в рідину, а архімедова сила дорівнює вазі рідини в обсязі зануреної в неї частини тіла. Коли архімедова сила стане рівною силі тяжіння, тіло зупиниться і плаватиме на поверхні рідини, частково занурившись у неї. Отриманий висновок легко перевірити на досвіді. У відливну судину наллємо воду до рівня відливної трубки. Після цього зануримо в судину плаваюче тіло, попередньо зваживши його в повітрі. Опустившись у воду, тіло витісняє об'єм води, що дорівнює обсягу зануреної у ній частини тіла. Зваживши цю воду, знаходимо, що її вага (архімедова сила) дорівнює силі тяжіння, що діє плаваюче тіло, або ваги цього тіла в повітрі. Проробивши такі ж досліди з будь-якими іншими тілами, що плавають у різних рідинах - у воді, спирті, розчині солі, можна переконатися, що якщо тіло плаває в рідині, то вага витісненої ним рідини дорівнює вазі цього тіла у повітрі. Легко довести, що якщо щільність суцільного твердого тіла більша за щільність рідини, то тіло в такій рідині тоне. Тіло з меншою щільністю спливає у цій рідині. Шматок заліза, наприклад, тоне у воді, але спливає у ртуті. Тіло ж, щільність якого дорівнює щільності рідини, залишається в рівновазі всередині рідини. Плаває на поверхні води лід, тому що його щільність менша за щільність води. Чим менша щільність тіла в порівнянні з щільністю рідини, тим менша частина тіла занурена в рідину . При рівних щільностях тіла та рідини тіло плаває всередині рідини на будь-якій глибині. Дві рідини, що не змішуються, наприклад вода і гас, розташовуються в посудині відповідно до своїх щільностей: у нижній частині судини - більш щільна вода (ρ = 1000 кг/м 3 ), зверху - легший гас (ρ = 800 кг/м 3 ) . Середня щільність живих організмів, що населяють водне середовище, мало відрізняється від щільності води, тому їхня вага майже повністю врівноважується архімедовою силою. Завдяки цьому водні тварини не потребують таких міцних і масивних скелетів, як наземні. З цієї причини еластичні стовбури водних рослин. Плавальний міхур риби легко змінює свій обсяг. Коли риба за допомогою м'язів опускається на велику глибину і тиск води на неї збільшується, міхур стискається, об'єм тіла риби зменшується, і вона не виштовхується вгору, а плаває в глибині. Таким чином, риба може у певних межах регулювати глибину свого занурення. Кіти регулюють глибину свого занурення за рахунок зменшення та збільшення обсягу легень. Плавання судів.Судна, що плавають річками, озерами, морями і океанами, побудовані з різних матеріалів з різною щільністю. Корпус суден зазвичай виготовляється зі сталевих листів. Всі внутрішні кріплення, що надають міцність судам, також виготовляють з металів. Для будівництва суден використовують різні матеріали, що мають у порівнянні з водою як більші, так і менші щільності. Завдяки чому судна тримаються на воді, приймають на борт та перевозять великі вантажі? Досвід із плаваючим тілом (§ 50) показав, що тіло витісняє своєю підводною частиною стільки води, що за вагою ця вода дорівнює вазі тіла у повітрі. Це також є справедливим і для будь-якого судна. Вага води, що витісняється підводною частиною судна, дорівнює вазі судна з вантажем у повітрі або силі тяжіння, що діє на судно з вантажем. Глибина, на яку судно занурюється у воду, називається осадкою . Найбільша допустима осадка відмічена на корпусі судна червоною лінією, що називається ватерлінією (Від голланд. ватер- Вода). Вага води, що витісняється судном при зануренні до ватерлінії, дорівнює силі тяжіння, що діє на судно з вантажем, називається водотоннажністю судна. В даний час для перевезення нафти будуються судна водотоннажністю 5 000 000 кН (5 · 10 6 кН) і більше, тобто мають разом з вантажем масу 500 000 т (5 · 10 5 т) і більше. Якщо з водотоннажності відняти вагу самого судна, ми отримаємо вантажопідйомність цього судна. Вантажопідйомність показує вагу вантажу, що перевозиться судном. Суднобудування існувало ще в Стародавньому Єгипті, у Фінікії (вважається, що Фінікійці були одними з найкращих суднобудівників), Стародавньому Китаї. У Росії її суднобудування зародилося межі 17-18 ст. Споруджувалися головним чином військові кораблі, але саме в Росії були побудовані перший криголам, судна з двигуном внутрішнього згоряння, атомний криголам "Арктика". Повітроплавання.
Малюнок із описом кулі братів Монгольф'є 1783 року: «Вигляд і точні розміри „Аеростата Земну кулю", який був першим". 1786 З давніх-давен люди мріяли про можливість літати над хмарами, плавати в повітряному океані, як вони плавали морем. Для повітроплавання спочатку використовували повітряні кулі, які наповнювали або нагрітим повітрям, або воднем або гелієм. Для того, щоб повітряна куля піднялася в повітря, необхідно, щоб архімедова сила (виштовхує) FА, що діє на кулю, була більша сили тяжіння Fтяж, тобто. FА > Fтяж. У міру підняття кулі вгору архімедова сила, що діє на нього, зменшується. FА = gρV), оскільки щільність верхніх шарів атмосфери менша, ніж у Землі. Щоб піднятися вище, з кулі скидається спеціальний баласт (вантаж) і цим полегшує кулю. Зрештою куля досягає своєї граничної висоти підйому. Для спуску кулі з оболонки за допомогою спеціального клапана випускається частина газу. У горизонтальному напрямку повітряна куля переміщається тільки під дією вітру, тому вона називається аеростатом (від грець аер- Повітря, стато- вартий). Для вивчення верхніх шарів атмосфери, стратосфери ще недавно застосовувалися великі повітряні кулі. стратостати . Перш ніж навчилися будувати великі літаки для перевезення повітрям пасажирів і вантажів, застосовувалися керовані аеростати. дирижаблі. Вони мають подовжену форму, під корпусом підвішується гондола з двигуном, який надає руху пропелер. Повітряна куля не тільки сама піднімається вгору, але може підняти й деякий вантаж: кабіну, людей, прилади. Тому для того, щоб дізнатися, який вантаж може підняти повітряну кулю, необхідно визначити її підйомну силу. Нехай, наприклад, у повітря запущена куля об'ємом 40 м 3 наповнений гелієм. Маса гелію, що заповнює оболонку кулі, дорівнюватиме: Значить, цей шар може підняти вантаж вагою 520 Н - 71 Н = 449 Н. Це і є його підйомна сила. Куля такого ж об'єму, але наповнена воднем, може підняти вантаж 479 Н. Отже, підйомна сила його більша, ніж кулі, наповненої гелієм. Але все ж таки частіше використовують гелій, тому що він не горить і тому безпечніше. Водень же горючий газ. Набагато простіше здійснити підйом та спуск кулі, наповненої гарячим повітрям. Для цього під отвором, що знаходиться в нижній частині кулі, розташовується пальник. За допомогою газового пальника можна регулювати температуру повітря всередині кулі, а значить, його щільність і силу, що виштовхує. Щоб шар піднявся вище, досить сильніше нагріти повітря в ньому, збільшивши полум'я пальника. При зменшенні полум'я пальника температура повітря в кулі зменшується і куля опускається вниз. Можна підібрати таку температуру кулі, при якій вага кулі і кабіни дорівнюватиме виштовхувальній силі. Тоді куля повисне в повітрі, і з неї буде легко проводити спостереження. У міру розвитку науки відбувалися і суттєві зміни у повітроплавній техніці. З'явилася можливість використання нових оболонок для аеростатів, які стали міцними, морозостійкими та легкими. Досягнення у галузі радіотехніки, електроніки, автоматики дозволили сконструювати безпілотні аеростати. Ці аеростати використовуються для вивчення повітряних течій, для географічних та медико-біологічних досліджень у нижніх шарах атмосфери. Цілі уроку: Освітня: сприяти засвоєнню понять: атмосфера, вага повітря, атмосферний тиск; формування навичок пошукової діяльності та умінь теоретично доводити явища, що відбуваються за участю атмосферного тиску. Розвиваюча: розвиток умінь та здібностей учнів працювати самостійно; розширення світогляду, розвиток інтересу до експериментальної фізики. Виховна: виховання уважного, доброзичливого ставлення до відповідей однокласників; особисту відповідальність у виконанні колективної роботи. Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу Методи навчання: бесіда, пояснювально-ілюстративний, інформаційно-комп'ютерний, самостійна робота. Обладнання:
Хід уроку1. Цілепокладання та мотивація.Слайд 1Вчитель: Здрастуйте, друзі! Я дуже рада вас бачити і вірю, що урок у нас пройде чудово і настрій у нас стане чудовим. А в мене настрій не дуже добрий. Готуючи до уроку досвід, я ополоснула банку гарячою водоюі одразу закрила кришкою. Тепер зняти її неможливо. Спробуйте пояснити, що спричинило це явище. (Учні висловлюють свої припущення) Вчитель: Пояснюючи це явище, ми відкриваємо таємницю дивовижного та важливого фізичного явища, яке є темою нашого уроку. Спробуйте здогадатися якого? Слайд 2 Тема уроку: Атмосфера Землі. Атмосферний тиск. (учні записують тему в зошит) Мета уроку: Розглянути будову атмосфери Землі, переконатися у існуванні атмосферного тиску та навчитися використовувати отримані знання пояснення фізичних явищ. 2. Актуалізація знаньВчитель: Які фізичні величини нам знадобляться сьогодні для того, щоб досягти поставленої мети? Слайд 3
Про те, що Земля покрита повітряною оболонкою під назвою атмосфера, ви дізналися на уроках географії, давайте ж пригадаємо, що вам відомо про атмосферу з курсу географії? Вчитель: Які властивості газів відрізняють їх від твердих тіл та рідин? Учні: Гази не мають власної форми та постійного обсягу. Вони набувають форми судини і повністю заповнюють наданий їм обсяг. Вчитель: Чому газ має такі властивості? Учні: Тому що молекули газу перебувають у безперервному та безладному русі. Вчитель: Але тоді виникає питання: чому молекули газів, що не перебувають у будь-якій посудині, рухаючись безперервно та безладно, не відлітають у світовий простір? Що утримує їх біля Землі? Яка сила? А чому атмосфера "не осідає" на поверхню Землі? Я пропоную подивитися відеосюжет і перевірити свої висновки Додаток 2Слайд 5 3. Вивчення нового матеріалу.Вчитель: Ми з'ясували, що на повітря, як і на всяке тіло, що знаходяться на Землі, діє сила тяжіння, і, отже, повітря має вагу. Хлопці витягніть руки вперед долонями вгору. Що ви відчуваєте? Вам тяжко? Адже на ваші долоні тисне повітря, причому маса цього повітря дорівнює масі КАМАЗу, навантаженого цеглою. Тобто, близько 10 тонн! Чому ж ми не відчуваємо цієї ваги? Слайд 6 Як довести, що повітря має вагу? Чи можна виміряти масу повітря? Як це зробити? Учні: Зважити кулю. (Якщо дозволяє обладнання проводять реальний досвід, інакше можна скористатися ЦОР) Вчитель: Проведемо віртуальний досвід. Додаток 3(Інтерактивна анімація, що демонструє досвід визначення ваги повітря за допомогою ваг) Візьмемо скляну кулю і відкачаємо з неї повітря, а потім зважимо на терезах. Чому дорівнює маса кулі? Слайд 7 Вчитель: А тепер відкриємо кран і запустимо повітря повітря. Що сталося? Учні: Терези вийшли з рівноваги, тому що повітря має масу. Вчитель: Врівноважимо ваги, додавши гірки. А тепер чому дорівнює маса кулі? А чи маса повітря? Вчитель: Який ми можемо зробити висновок? Учні: Повітря має вагу. Вчитель: Де перебуває основна маса повітря? Учні. У нижньому шарі. Вчитель: Верхні верстви повітря стискають нижні шари, тобто. чинять на них тиск. Вчитель: Як передається тиск, що чиниться на нижній повітряний шар верхнім шаром? Учні: Відповідно до закону Паскаля, однаково в усіх напрямках. Вчитель: Отже, кожен шар атмосфери зазнає тиску з боку всіх верхніх шарів, а отже, земна поверхня і тіла, що знаходяться на ній, зазнають тиску всієї товщі повітря, або, як зазвичай кажуть, відчувають атмосферний тиск, і, згідно із законом Паскаля, цей тиск передається однаково в усіх напрямках Атмосферний тиск – тиск, що чиниться атмосферою Землі на всі предмети, що знаходяться на ній. Слайд 8 (Учні записують інформацію у зошит.) Вчитель: Теоретично ми довели існування атмосферного тиску, а тепер переконаємось на практиці. Склянку з водою закриваємо папером, склянку перевертаємо. Папір утримує воду у склянці. Вчитель: На воду у склянці діє сила тяжіння. Чому ж листочок утримує воду? Виявляється вода трохи прогинає папір, тиск повітря над водою менший за атмосферний тиск, який притискає папір до склянки. ( Учні дають відповідь) Фізкультхвилинка: Вчитель: Втомилися? Давайте зробимо дихальні вправи. Правильне диханнясприяє покращенню розумового процесу. Встаньте. Покладіть руки на діафрагму і зробіть 3-4 глибоких вдихів та видихів. Вчитель: Чи ви замислювалися над тим, як ми дихаємо? При вдиху діафрагма збільшує обсяг легень. Тиск повітря в легенях стає меншим за атмосферний. Атмосферне повітряпроникає у легені. При видиху діафрагма стискає легені, обсяг легень зменшується. Тому тиск повітря в легенях стає більшим, ніж атмосферний. Повітря виходить назовні. 4. Первинне закріплення нового матеріалу.Вчитель: Знайдіть у 40 параграфі приклади, які мають такі пояснення принципу дії Учні: Пояснюють дію шприца, піпетки. Довели на дослідах. 5. Закріплення нового матеріалу.Вчитель: І так що на наші витягнуті долоні тисне повітря із силою, що дорівнює вазі навантаженого КАМАЗу. Чому ми витримуємо такий тиск? Вчитель: На якому законі базується розуміння, що нам не важко утримувати в долонях весь стовп повітря? Учні: На законі Паскаля. Тиск повітря діє на долоні і зверху і знизу однаково. Тому ми й не помічаємо цієї ваги. Слайд 10 Вчитель: Проаналізуйте малюнки і дайте відповідь, у якому разі митець має рацію? Слайд 11 6. Робота у групах.Провести експерименти з роздавального матеріалу та пояснити результати експерименту . Додаток 4Слайд 12-15 7. Підсумок.Слайд 16 Чому кришку неможливо було зняти з банки? Запропонуйте її відкрити. Вчитель: Скажіть, будь ласка, що ми вивчали на сьогоднішньому уроці? Що таке атмосфера? Чому атмосфера тисне на нашу планету? Як виявити атмосферний тиск? Як можна використовувати атмосферний тиск? Яке значення має Землі атмосфера? Вчитель: Молодці! 8. Завдання додому.Слайд 17 – § 40, 41, відповісти на запитання; - Завдання №10 стор.98 (3) за підручником А.В. Перишкіна "Фізика-7" (М: Дрофа, 2004). підготувати 1 цікавий досвід використання атмосферного тиску. Цікаві досліди можна знайти у книгах “Цікава фізика” Перельмана та інших. § 42. Вага повітря. Атмосферний тиск - Фізика 7 клас (Перишкін) Короткий опис: Ми не помічаємо повітря, бо все у ньому живемо. Важко уявити, але повітря має вагу так само, як і всі тіла Землі. Це так, тому що на нього діє сила тяжіння. Повітря навіть можна зважити на терезах, помістивши його у скляну кулю. У параграфі сорок два описується, як це зробити. Ми не помічаємо маси повітря, природа так влаштувала.
|
