"Физика (изд. ВЕНТАНА-ГРАФ)", Хижнякова Л.С., Синявина А.А.
Воздух вокруг Земли имеет массу и притягивается к ней, поэтому атмосфера давит на предметы и людей. Это давление называют атмосферным; его можно измерить барометром. В ртутном приборе давление воздуха уравновешивает столб ртути, а в барометре-анероиде срабатывает упругая металлическая коробочка. Показания барометра меняются с высотой: чем выше поднимаются, тем меньше воздуха остаётся над прибором и тем ниже обычно давление.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Атмосферное давление — давление, которое воздух атмосферы оказывает на находящиеся в ней тела. Давление показывает, какая сила действует на единицу площади: p = F/S, где F — сила, а S — площадь. Эта формула помогает находить давление, если известны сила и площадь поверхности.
Барометр — прибор для измерения атмосферного давления. Он нужен, чтобы узнать, насколько сильно воздух давит в данный момент и как давление меняется. По его показаниям можно, например, сравнить давление у подножия горы и на вершине.
Ртутный барометр — прибор, в котором атмосферное давление уравновешивается давлением столба ртути. Высота этого столба показывает, насколько велико давление воздуха. Такой прибор связывает наблюдаемое показание с давлением жидкости.
Барометр-анероид — прибор для измерения атмосферного давления без жидкости. Внутри него находится герметичная упругая металлическая коробочка, которая немного сжимается или расширяется при изменении давления. Механизм передаёт её движение стрелке, чтобы показание можно было увидеть на шкале.
Воздух имеет массу, хотя его нельзя увидеть, и притягивается Землёй. Поэтому нижние слои атмосферы несут на себе вес воздуха, который находится выше. Давление возникает из-за того, что этот вес действует на поверхности и передаётся от слоя к слою. Чем больше воздуха приходится на участок поверхности, тем сильнее он может на него давить.
Атмосферное давление действует на тела со всех сторон, потому что воздух окружает их, а его частицы движутся во всех направлениях. Частицы сталкиваются с поверхностью тела и передают ей силу. Многочисленные столкновения вместе создают заметное давление, хотя отдельные удары слишком малы, чтобы их почувствовать. Поэтому неверно представлять атмосферу как силу, которая действует только сверху.
В опыте Торричелли один конец длинной трубки закрывают, наполняют её ртутью и переворачивают в сосуд с ртутью. Часть ртути вытекает, но в трубке остаётся столб, потому что воздух давит на поверхность ртути в сосуде и поддерживает её в трубке. Над столбом в закрытой части почти нет воздуха, поэтому именно атмосферное давление уравновешивает давление ртути. Высота столба становится мерой атмосферного давления.
В ртутном барометре давление воздуха на ртуть в сосуде уравновешивается давлением столба ртути в трубке. Если атмосферное давление увеличивается, оно сильнее давит на поверхность ртути в сосуде и поднимает её в трубке. Если давление уменьшается, столб становится ниже. Поэтому, наблюдая за высотой столба, можно проследить за изменением давления.
В анероиде изменение внешнего давления воздействует на герметичную металлическую коробочку с упругими стенками. При большем давлении коробочка немного сжимается, а при меньшем — расправляется. Соединённый с ней механизм передаёт движение стрелке, которая указывает значение на шкале. Коробочка деформируется совсем немного, но устройство помогает заметить и измерить это изменение.
| Прибор | Как устроен | Как измеряет давление | Особенности |
|---|---|---|---|
| Ртутный барометр | Трубка с ртутью, перевёрнутая в сосуд с ртутью. | По высоте столба ртути, который уравновешивает атмосферное давление. | Показание выражают, например, в миллиметрах ртутного столба; прибор содержит ртуть. |
| Барометр-анероид | Герметичная упругая металлическая коробочка и связанный с ней механизм со стрелкой. | Давление деформирует коробочку, а механизм передаёт движение стрелке. | Работает без жидкости; показание читают по шкале. |
Сравнивай приборы по тому, какая часть в них реагирует на атмосферное давление и как изменение превращается в показание. В ртутном барометре смотри на высоту столба, а в анероиде — на шкалу со стрелкой. Таблица также помогает заметить, что принцип действия различается, хотя оба прибора измеряют одну и ту же величину.
Задача 1. На поршень площадью 0,02 м² воздух действует с силой 2000 Н. Найдите давление воздуха. Нужно определить, какая сила приходится на каждый квадратный метр поршня; для этого разделим силу на площадь.
Ответ: давление воздуха равно 100 000 Па. Обрати внимание: площадь дана в квадратных метрах, поэтому результат получается в паскалях.
Задача 2. Высота столба ртути в барометре равна 760 мм. Какое значение атмосферного давления показывает прибор в миллиметрах ртутного столба? В таком барометре показание прямо связано с высотой столба, который уравновешивает давление воздуха.
Ответ: барометр показывает 760 мм рт. ст. Не следует записывать это число в паскалях: в задаче требуется единица, связанная с высотой ртутного столба.
Задача 3. У подножия горы барометр показывает большее давление, чем на вершине. Объясните различие и укажите, что произойдёт с показанием при подъёме. Сравним, сколько воздуха находится над прибором в двух точках: у подножия слой воздуха выше и тяжелее.
Ответ: при подъёме в гору барометр покажет меньшее давление. Решая подобные задачи, связывай высоту с количеством и весом воздуха над прибором.
Ошибка — считать, что атмосферное давление действует только сверху. Так думают, потому что воздух имеет вес и легко представить только его давление на горизонтальную поверхность. Но воздух окружает тело и давит на него со всех сторон; проверь себя, представив тело, погружённое в воздух, а не стоящее под одной воздушной плитой.
Ошибка — объяснять атмосферное давление только движением ветра. Её допускают, потому что ветер легко почувствовать и связать с действием воздуха. Давление существует и в неподвижной атмосфере: его создают масса воздуха и притяжение Земли. Проверка простая: отсутствие ветра не означает, что воздух исчез или перестал давить.
Ошибка — думать, что столб ртути в опыте Торричелли удерживается пустотой над ним. Это кажется правдоподобным, потому что над ртутью в трубке почти нет воздуха. На деле столб поддерживает атмосферное давление, действующее на ртуть в сосуде; проверь объяснение, найдя силу, которая уравновешивает давление столба.
Ошибка — путать паскали и миллиметры ртутного столба. Путают их потому, что оба способа встречаются при описании давления, но единицы обозначают его по-разному. Паскаль связан с силой на единицу площади, а миллиметры ртутного столба — с высотой столба в барометре. Чтобы проверить ответ, посмотри, какую единицу попросили в условии.
До изучения атмосферного давления нужно знать, что такое давление, и уметь пользоваться формулой p = F/S. Она помогает понять, почему действие силы зависит от площади поверхности. Давление измеряют в паскалях.
Связь атмосферного давления с давлением жидкости помогает понять работу ртутного барометра: давление столба ртути уравновешивается давлением воздуха. Изменения давления с высотой объясняют, почему показания прибора на горе и у её подножия различаются. Эти знания пригодятся при изучении погоды и метеорологических приборов.
Почему воздух оказывает давление, если его не видно?
Воздух состоит из частиц, которые имеют массу и движутся. Они сталкиваются с поверхностями и передают им силу, поэтому возникает давление. То, что воздух прозрачен, не означает, что он не может давить.
Почему атмосферное давление не раздавливает человека?
На тело давит не только воздух снаружи: внутри организма тоже есть давление, которое во многом уравновешивает внешнее. Кроме того, ткани и жидкости тела достаточно прочны, чтобы выдерживать обычные перепады давления.
Как столб ртути удерживается в трубке барометра?
На ртуть в чашке давит атмосфера, и это давление поддерживает ртуть в трубке. Столб опускается или поднимается до тех пор, пока его давление не уравновесит атмосферное. Над ртутью в закрытом конце трубки почти нет воздуха.
Чем барометр-анероид отличается от ртутного барометра?
В ртутном барометре давление определяют по высоте столба ртути. Анероид работает без жидкости: давление деформирует герметичную металлическую коробочку, а механизм двигает стрелку.
Почему атмосферное давление уменьшается при подъёме в горы?
Чем выше находится прибор, тем меньше толщина и вес слоя воздуха над ним. Поэтому воздух давит слабее, а показание барометра при подъёме обычно уменьшается.
§ 42. Атмосферное давление. Измерение атмосферного давления
