Просто о важном (физика атмосферы)

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа №45»
Просто о важном
(физика атмосферы)
Выполнил: Коровин Роман
МБОУ «СОШ № 45»
г. Новоуральск Свердловской области,
учащийся 8 А класса
Научные руководители
Москвитина Елена Владимировна,
учитель физики высшей кв. категории,
МБОУ «СОШ № 45»
г. Новоуральск Свердловской области
Коровина Наталия Валерьевна,
учитель информатики первой кв.категории,
МБОУ «СОШ № 45»
г. Новоуральск Свердловской области
Новоуральский городской округ, 2014
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ……………………………………………………………….. 3
I. Теоретическая часть
1. Атмосферное давление …………………………………..
5
2. Как было открыто атмосферное давление ……………... 6
3. Роль атмосферного давления
8
в жизни живых организмов ………………………………...
II. Практическая часть
1. Проявления атмосферного давления …………………… 9
2. Измерение атмосферного давления
и силы атмосферного давления …………………………. 11
3. Выявление зависимости атмосферного давления
от высоты …………………………………………………. 13
Заключение …………………………………………………………….. 14
Список использованных источников ………………………………… 15
Приложения
Приложение 1. Словарь терминов ………………………… 16
Приложение 2. Опыты в домашних условиях (фото) ……. 17
2
ВВЕДЕНИЕ
Без сомнения, все наше знание начинается с опытов.
(Кант Эммануил,
немецкий философ 1724-1804 гг.)
Мы живем на дне воздушного океана. Над нами – огромная толща воздуха. Воздушную оболочку, окружающую Землю, называют атмосферой (от
греч. атмос - пар, воздух и сфера - шар).
Атмосфера, как показали наблюдения за полетом искусственных спутников Земли, простирается на высоту нескольких тысяч километров. А воздух, как он не легок, все же имеет вес.
Вследствие действия силы тяжести верхние слои воздуха, подобно воде
океана, сжимают нижние слои. Воздушный слой, прилегающий непосредственно к Земле, сжат больше всего и, согласно закону Паскаля, передает
производимое на него давление по всем направлениям.
В результате этого земная поверхность и тела, находящиеся на ней, испытывают давление всей толщи воздуха, или, как обычно говорят, испытывают атмосферное давление.
Каким же образом выдерживают живые организмы такие огромные
нагрузки?
Как можно измерить атмосферное давление и от чего оно зависит?
Почему наше здоровье зависит от изменения атмосферного давления?
Актуальность и необходимость заниматься вопросами такого природного явления, как атмосферное давление, возникло давно. Изучение атмосферного давления имеет большую историю, как и многие другие научные
открытия, оно связано с практическими потребностями людей.
Гипотеза исследования: мы предположили, что сила атмосферного
давления, оказываемого на тело, зависит от площади поверхности и высоты
над уровнем моря. Факт существования атмосферного давления можно проследить, проделывая простые опыты.
3
Цель данной работы опытным путем подтвердить существование атмосферного давления и проследить зависимость силы атмосферного давления
от площади поверхности тела и высоты над уровнем моря.
Объект исследования: атмосферное давление.
Предмет исследования: зависимость силы атмосферного давления,
оказываемого на тела от площади поверхности и высоты над уровнем моря.
Для достижения цели поставлены задачи:
1) провести опыты и пронаблюдать проявления атмосферного давления;
2) пронаблюдать зависимость силы атмосферного давления от площади
поверхности тела;
3) пронаблюдать зависимость атмосферного давления от высоты над
уровнем моря;
4) изучить литературу по данному вопросу;
5) выяснить роль атмосферного давления в живой природе;
6) проанализировать полученные результаты.
Итоги данной научно-исследовательской работы оформить в виде
учебного пособия, которое можно использовать на уроках физики при изучении темы «Атмосферное давление» в 7 классе или на элективных курсах по
естествознанию в 5, 6 классах.
4
I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1. АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ
Атмосферное давление – гидростатическое давление воздуха, создаваемое притяжением атмосферы к Земле в поле тяжести на все находящиеся в
ней предметы и земную поверхность.
Атмосферное давление падает с высотой, поскольку оно создается
лишь вышележащим слоем атмосферы, и зависимость давления от высоты
описывается так называемой барометрической формулой. Высота, на которую надо подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1 гПа
(гектоПаскаль), называется барической (барометрической) ступенью. У земной поверхности при давлении 1000 гПа и температуре 0°С она равна 8
м/гПа. С ростом температуры и увеличением высоты над уровнем моря она
возрастает, т. е. она прямо пропорциональна температуре и обратно пропорциональна давлению.
Нормальным атмосферным давлением называют давление в 760 мм
рт. ст. (101 325 Па) (на уровне моря и географической широте 45°). Отмечены колебания атмосферного давления (на уровне моря) в пределах 684 –
809 мм рт.ст. Колебания давления соответствуют приходу циклонов и антициклонов, соответственно.
Изменение давления на уровне моря показывается с помощью изобар линий на карте, соединяющих точки с одинаковым приземным атмосферным
давлением, обязательно приведенным к уровню моря.
На земной поверхности атмосферное давление изменяется от места к
месту и во времени. Особенно важны непериодические изменения атмосферного давления, связанные с возникновением, развитием и разрушением медленно движущихся областей высокого давления – антициклонов и относительно быстро перемещающихся огромных вихрей - циклонов, в которых
господствует пониженное давление, определяющие погоду.
5
2. КАК БЫЛО ОТКРЫТО АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ
Атмосферное давление привело людей в замешательство в 1638 году,
когда не удалась затея герцога Тосканского украсить сады Флоренции фонтанами — вода не поднималась выше 10,3 метров. Поиски причин этого и
опыты с более тяжелым веществом - ртутью, предпринятые Эванджелистой
Торричелли привели к тому, что в 1643 он доказал, что воздух имеет вес.
Совместно с В. Вивиани, Торричелли провел первый опыт по измерению атмосферного давления, изобретя первый ртутный барометр стеклянную трубку (трубку Торричелли), в которой нет воздуха. В такой трубке ртуть поднимается на высоту около 760 мм.
Торричелли обнаружил, что высота столба ртути в его опыте не зависит ни от формы трубки, ни от ее наклона. На уровне моря высота ртутного
столба всегда была около 760 мм.
Ученый предположил, что высота столба жидкости уравновешивается
давлением воздуха. Зная высоту столба и плотность жидкости, можно определить величину давления атмосферы.
6
Правильность предположения Торричелли была подтверждена в 1648 г.
опытом Паскаля на горе Пью-де-Дом. Паскаль доказал, что меньший столб
воздуха оказывает меньшее давление. Вследствие притяжения Земли и недостаточной скорости молекулы воздуха не могут покинуть околоземное пространство. Однако они не падают на поверхность Земли, а парят над ней, т.к.
находятся в непрерывном тепловом движении.
Благодаря тепловому движению и
притяжению молекул к Земле их распределение в атмосфере неравномерно. При
высоте атмосферы в 2000-3000 км 99% ее
массы сосредоточено в нижнем (до 30 км) слое. Воздух, как и другие газы,
хорошо сжимаем. Нижние слои атмосферы в результате давления на них
верхних слоев имеют большую плотность воздуха.
7
3. РОЛЬ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ
В ЖИЗНИ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ
Роль атмосферного давления в жизни живых организмов очень велика. Многие органы действуют за счет атмосферного давления.
Спруты и пиявки имеют присоски, при помощи которых они могут
прилипнуть к любому предмету. Присоски увеличиваются в объеме, внутри
них образуется разреженное пространство, и наружное давление воздуха
прижимает их к поверхности какого-либо предмета. Так осьминоги хватают
добычу, а пиявки передвигаются.
Мухи и древесные лягушки могут держаться на оконном стекле благодаря крошечным присоскам, в которых создается разрежение, и атмосферное
давление удерживает присоску на стекле.
Рыбы-прилипалы имеют присасывающую поверхность, состоящую из
ряда складок, образующих глубокие «карманы». При попытке оторвать присоску от поверхности, к которой она прилипла, глубина карманов увеличивается, давление в них уменьшается и тогда внешнее давление еще сильнее
прижимает присоску.
Слон использует атмосферное давление всякий раз, когда хочет пить.
Шея у него короткая, и он не может нагнуть голову в воду, а опускает только
хобот и втягивает воздух. Под действием атмосферного давления хобот
наполняется водой, тогда слон изгибает его и выливает воду в рот.
8
II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1. ПРОЯВЛЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ
Мы провели занимательные опыты в домашних условиях (Приложение
2), которые объясняют существование атмосферного давления.
Опыт 1. «Яйцо в мензурке»
В мензурку с широким горлышком мы опустили зажженную бумажку и
быстро закрыли горлышко круто сваренным и очищенным яйцом. Яйцо постепенно втянулось и провалилось внутрь мензурки.
Объяснение: Пламя нагревает воздух в бутылке, и часть его выходит
наружу. Когда бутылку закрывают яйцом, воздух в ней охлаждается, давление его падает и внешнее атмосферное давление загоняет яйцо в бутылку.
Опыт 2. «Вода в перевернутом стакане»
Налили в стакан воду до самого края. Прикрыли стакан стеклянной
пластиной (взяли от фоторамки) и, придерживая стекло ладонью, быстро перевернули стакан вверх дном. Убрали ладонь. Вода из стакана не выливается
и стеклянная пластина держится.
Объяснение: Вода удерживается атмосферным давлением, т.е. атмосферное давление больше давления, производимого водой.
Опыт 3. «Не замочив рук»
Положили на плоскую тарелку монету и налили немного воды. Монета
очутилась под водой. Теперь необходимо взять монету голой рукой, не замочив пальцев и не выливая воду из тарелки. Взяли свечу, зажгли ее рядом с
монетой. Затем накрыли стаканом. Вода собралась под стаканом.
Объяснение: воздух в стакане начнет остывать. Холодный воздух занимает меньше места, чем горячий. Стакан, словно медицинская кровососная
9
банка, начнет всасывать воду, и вскоре вся она соберется под ним. Теперь
можно подождать, пока монета высохнет, и бери ее, не боясь замочить пальцы.
Вывод: проводя занимательные опыты в домашних условиях можно
проследить и объяснить существование атмосферного давления.
10
2. ИЗМЕРЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ
И СИЛЫ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ
С помощью барометра-анероида измерили атмосферное давление. Затем измерили необходимые размеры тел: крышка стола, учебник, линейку и
вычислили площади их поверхностей. Пользуясь формулой F = р • S рассчитали силу атмосферного давления на поверхность стола, учебника и линейку.
9 января 2014 года
Номер опыта
мм. рт. ст.
721
Па
96100
м2
0,6
Сила атмосферного
давления,
Н
57660
Поверхность учебника
721
96100
0,036
3459,6
Поверхность линейки
721
96100
0,004
384,4
Площадь
тела,
Поверхность стола
Атмосферное
давление
Площадь
тела,
10 января 2014 года
Номер опыта
мм. рт. ст.
725
Па
96700
м2
0,6
Сила атмосферного
давления,
Н
58020
Поверхность учебника
725
96700
0,036
3481,2
Поверхность линейки
725
96700
0,004
386,8
Поверхность стола
Атмосферное
давление
11
13 января 2014 года
Номер опыта
мм. рт. ст.
727
Па
96800
м2
0,6
Сила атмосферного
давления,
Н
58080
Поверхность учебника
727
96800
0,036
3484,8
Поверхность линейки
727
96800
0,004
387,2
Поверхность стола
Атмосферное
давление
Площадь
тела,
Вывод: Атмосферное давление меняется ежедневно, а это значит, что
сила атмосферного давления также изменяется.
Сила атмосферного давления при одном и том же атмосферном давлении различна и зависит от площади поверхности тела. Чем больше поверхность тела, тем большее воздействие на него оказывает атмосфера.
На тело человека, поверхность которого при массе в 60 кг и росте
160 см, примерно равна 1,6 м2, действует сила в 160000 Н, обусловленная
атмосферным давлением.
Живые организмы выдерживают такие огромные нагрузки благодаря
тому, что давление жидкостей, заполняющих сосуды тела, уравновешивает
внешнее атмосферное давление.
12
3. ВЫЯВЛЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ
ОТ ВЫСОТЫ
Для того чтобы выявить зависимость атмосферного давления от высоты мы измеряли атмосферное давление на различных этажах девятиэтажного
дома. Высоту определили приблизительно, по высоте этажа.
Номер опыта
Атмосферное давление
мм. рт. ст.
Па
Высота, м
1 этаж
754
100500
2 этаж
754
100500
3м
3 этаж
753,5
100450
6м
4 этаж
753,5
100450
9м
5 этаж
753
100400
12 м
6 этаж
753
100400
15 м
7 этаж
752,5
100350
18 м
8 этаж
752,5
100350
21 м
9 этаж
752
100300
24 м
Вывод: величина атмосферного давления в среднем убывает с ростом
высоты над уровнем моря на 1 мм. рт. ст. на каждые 12 метров.
13
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты, полученные в ходе научно-исследовательской работы, доказывают что сила атмосферного давления, оказываемого на тело зависит от
площади поверхности (чем больше площадь, тем больше сила давления) и
высоты над уровнем моря (величина атмосферного давления в среднем убывает с ростом высоты над уровнем моря на 1 мм. рт. ст. на каждые 12 метров).
Простые и наглядные опыты легко воспроизвести в домашних условиях, чтобы лично пронаблюдать действие атмосферного давления.
Сведения, полученные из литературы и Интернет-ресурсов, позволили
выяснить роль атмосферного давления в живой природе.
Итоги данной научно-исследовательской работы оформлены в виде
учебного пособия, которое можно использовать на уроках физики при изучении темы «Атмосферное давление» в 7 классе или на элективных курсах по
естествознанию в 5, 6 классах.
14
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Волков В.А, Громова С.В. Поурочные разработки по физике, 7 кл. –
М.: «Вако», 2005
2. Гальперштейн Л.Я. Занимательная физика. – М.: Издательский дом
«Росмэн», 1998
3. Зорин Н.И. Элективный курс «Элементы биофизики». - М.: «Вако»,
2007
4. Кудрявцев П.С. Курс истории физики. - М.: Просвещение, 2002
5. Перешкин А.В. Физика. 7 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений. – М.: Дрофа, 2007
6. Рабиза Ф.В. Простые опыты: Забавная физика для детей. – М.: Детская литература, 2000
7. Семке А.И. Занимательные материалы к урокам. – М.: Издательство
НЦ ЭНАС, 2006
Интернет-ресурсы
http://simplescience.ru/video/fountain_canned/
http://ru.wikipedia.org
http://festival.1september.ru/articles/596569/
http://ru.wikipedia.org/wiki/
http://ru.wikipedia.org/wiki/%C1%E0%F0%EE%EC%E5%F2%F0
15
Приложение 1
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ
Атмосферное давление - это давление воздуха атмосферы на поверхность планеты, а также на предметы, находящиеся в нем.
Атмосфера – это газовая оболочка, окружающая небесное тело.
Характеристики атмосферы зависят от размера, массы, температуры,
скорости обращения, химического состава небесного тела, к которому эта
атмосфера относится.
Атмосфера Земли состоит из смеси газов, которую называют воздухом. Приблизительный состав нижнего слоя атмосферы (до 30 км): азот
(78,9%), кислород (20,95%), аргон (0,93%), двуокись углерода (0,038%) и небольшое количество водорода, гелия, других газов и загрязнителей.
Эванджелиста Торричелли (15 октября 1608, Фаэнца - 25 октября
1647, Флоренция) – итальянский математик и физик, ученик Галилея. Известен как автор концепции атмосферного давления и продолжатель дела Галилея в области разработки новой механики.
Блез Паскаль (19 июня 1623, Клермон-Ферран, Франция - 19 августа
1662, Париж, Франция) - французский математик, механик, физик, литератор
и философ.
Барометр (др. греч βάρος - «тяжесть» и μετρέω - «измеряю») - прибор
для измерения атмосферного давления. Ртутный барометр был изобретен
итальянским ученым Эванджелиста Торричелли в 1644 году.
Анероид (от др. греч. ἀ- «не-» и νηρόν «вода») - прибор для измерения
атмосферного давления, тип барометра, действующий без помощи жидкости.
16
Приложение 2
ОПЫТЫ В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ
1. ПРОЯВЛЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ
Опыт 1. «Яйцо в мензурке»
1. Взяли мензурку, сваренное вкрутую и очищенное яйцо, бумагу.
2. Заженную бумагу положили в
мензурку и яйцо положили на
3. Яйцо оказалось в мензурке.
горлышко мензурки.
17
Опыт 2. «Вода в перевернутом стакане»
1. Взяли стакан, стеклянную пластину, воду.
2. Налили воду в стакан и
накрыли стеклянной пластиной.
3. Придерживая стеклянную пластину рукой перевернули стакан.
4. Убрали руку. Стеклянная
пластина не падает и вода не проливается.
18
Опыт 3. «Не замочив рук»
1. Взяли монетку, емкость с водой, стакан, свечу
2. Поместили монетку и
3. Зажгли свечу.
свечку в емкость с водой.
4. Накрыли свечу стаканом.
5. Вода втянулась в стакан и
монетку можно достать, не замочив
рук.
19
2. ИЗМЕРЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ
И СИЛЫ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ
1. Измеряем размеры крышки стола, учебника и линейки.
2. Вычисляем их площадь.
3. С помощью барометра-анероида измеряем атмосферное давление.
4. Делаем необходимые расчеты и результаты заносим в таблицу.
20
3. ВЫЯВЛЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ
ОТ ВЫСОТЫ
1. Девятиэтажный дом по ул. Промышленная 5А.
2. Измерили атмосферное давление на различных этажах дома.
21