"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Воздух окружает Землю и, несмотря на невидимость, давит на её поверхность и все находящиеся на ней тела. Это давление называют атмосферным: оно возникает потому, что сила тяжести удерживает воздух у планеты, а верхние слои давят на нижние. Его измеряют барометрами, в том числе по высоте столба ртути. Нормальное давление на уровне моря принято считать равным 760 мм рт. ст., или примерно 101 300 Па; с высотой оно обычно уменьшается.
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 тела и поверхность Земли. Оно возникает, потому что воздух имеет массу, а сила тяжести удерживает его у планеты. Верхние слои воздуха давят на нижние, и давление передаётся окружающим предметам. Это понятие помогает объяснить многие явления и измерять изменения состояния атмосферы.
Опыт Торричелли — опыт с трубкой, полностью заполненной ртутью и перевёрнутой в сосуд с ртутью. Часть ртути остаётся в трубке, а высота её столба устанавливается под действием атмосферного давления. Пространство над ртутью называют торричеллиевой пустотой. Опыт важен тем, что наглядно показывает существование атмосферного давления и позволяет измерять его.
Барометр — прибор для измерения атмосферного давления. Ртутный барометр определяет давление по высоте столба ртути, а металлический измеряет его с помощью упругой металлической коробки. Барометры нужны, чтобы наблюдать за изменением давления и сравнивать показания в разных местах. По изменению давления также судят об изменениях погоды.
Нормальное атмосферное давление — условное значение давления на уровне моря: 760 мм рт. ст., или примерно 101 300 Па. Обозначение «мм рт. ст.» означает миллиметры ртутного столба, а Па — паскали, единицы давления. Это значение служит точкой сравнения, а не постоянным показанием любого барометра. В действительности давление может быть как выше, так и ниже нормального.
Воздух состоит из частиц и обладает массой, поэтому на него действует земное притяжение. Благодаря силе тяжести атмосфера не улетает в космос, а удерживается около поверхности планеты. Воздух над каждой точкой Земли образует столб, и его вес создаёт давление. Нижние слои сжимаются верхними, поэтому атмосфера давит на поверхность и находящиеся на ней тела.
Давление воздуха действует не только сверху вниз. Частицы воздуха движутся во всех направлениях и сталкиваются с поверхностями, поэтому давление передаётся в разные стороны. Это можно заметить на примере присоски: если прижать её к гладкой поверхности, воздух под ней частично вытесняется, а внешнее атмосферное давление прижимает присоску. Похожим образом давление жидкости действует на стенки сосуда, а не только на его дно.
Для опыта Торричелли трубку заполняют ртутью, закрывают отверстие и переворачивают в чашу с ртутью. После открытия отверстия часть ртути вытекает, но столб не опускается до конца трубки. Давление воздуха на поверхность ртути в чаше поддерживает оставшийся столб: когда давление столба уравновешивается атмосферным, высота перестаёт меняться. Над ртутью в трубке остаётся пространство почти без воздуха — торричеллиева пустота.
В ртутном барометре атмосферное давление измеряют по высоте столба ртути. Столб выше, если давление воздуха сильнее давит на ртуть в сосуде, и ниже, если давление слабее. Поэтому измеренная высота становится мерой атмосферного давления. В металлическом барометре вместо столба ртути используется упругая коробка: при изменении внешнего давления она немного деформируется, а механизм передаёт это движение стрелке.
С подъёмом над поверхностью Земли атмосферное давление обычно уменьшается. На большой высоте над точкой остаётся меньше воздуха, а значит, вес воздушного столба меньше и он слабее давит. У поверхности давление тоже не всегда одинаково: воздушные массы перемещаются, нагреваются и охлаждаются, из-за чего меняется состояние атмосферы. Поэтому показания барометра могут отличаться от нормального значения даже на одном и том же месте.
| Что сравниваем | Ртутный барометр | Металлический барометр |
|---|---|---|
| Как измеряет давление | По высоте столба ртути, который уравновешивается атмосферным давлением | По деформации упругой металлической коробки и движению стрелки |
| Основная часть прибора | Трубка со столбом ртути и сосуд с ртутью | Упругая металлическая коробка и механизм со стрелкой |
| В каких единицах можно записать результат | В миллиметрах ртутного столба или паскалях | В паскалях или единицах шкалы прибора, например мм рт. ст. |
| Особенность использования | Показание наглядно связано с высотой столба, но прибор содержит ртуть | Прибор не содержит столба ртути и удобен для переноски |
В таблице сравниваются принцип работы, устройство и способы записи показаний двух барометров. Чтобы сопоставить значения в разных единицах, используйте соответствие 760 мм рт. ст. ≈ 101 300 Па. Приборы могут показывать давление, отличающееся от нормального, поэтому значение 760 мм рт. ст. не следует считать обязательным для каждого измерения.
Задача 1. Высота столба ртути в барометре равна 760 мм. Сравните показание с нормальным атмосферным давлением. Нужно сопоставить измеренную высоту с принятой величиной, а не переводить её в паскали, поскольку сравнение можно сделать в одинаковых единицах.
Ответ: давление нормальное.
Задача 2. Барометр показывает 740 мм рт. ст. Выразите давление в паскалях, если 760 мм рт. ст. соответствуют примерно 101 300 Па. Используем пропорцию: меньшей высоте столба соответствует пропорционально меньшее давление. Результат будет приблизительным, поскольку исходное соответствие задано с округлением.
Ответ: примерно 98 600 Па.
Задача 3. На уровне моря барометр показывает 760 мм рт. ст., а на вершине — 600 мм рт. ст. Нужно сравнить показания и объяснить, почему они различаются. Для этого достаточно установить, где значение больше, и связать разницу с количеством воздуха над точкой измерения.
Ответ: давление больше на уровне моря; на вершине оно меньше из-за высоты.
Ошибка — считать, что воздух не оказывает давления, потому что его нельзя увидеть и его вес обычно не ощущается. Такое впечатление возникает из-за привычки к окружающему давлению и его уравновешивания давлением внутри тела. Проверить себя можно по опыту Торричелли: высота ртутного столба показывает, что атмосферное давление существует и измеряется.
Ошибка — представлять атмосферное давление только как силу, направленную вниз. Так думают, потому что воздух удерживается у Земли силой тяжести, но давление передаётся во всех направлениях. Вспомните присоску: воздух прижимает её к поверхности не только своим весом сверху. Если объяснение учитывает действие давления в стороны, оно не сводит атмосферное давление к одному направлению.
Ошибка — путать миллиметры ртутного столба с паскалями. Высота столба служит способом выразить давление, а паскаль — другая единица; эти значения нельзя просто считать одинаковыми числами. Для проверки запишите единицы и воспользуйтесь соответствием 760 мм рт. ст. ≈ 101 300 Па. Если единицы в условии и ответе различаются, понадобится перевод.
Ошибка — считать, что любой барометр всегда должен показывать 760 мм рт. ст. Это число принимают за нормальное значение на уровне моря, но фактическое давление изменяется. Причиной ошибки бывает смешение условной нормы с результатом конкретного измерения. Проверьте себя: если прибор показывает другое число, сравните его с 760, а не объявляйте показание неверным без основания.
Чтобы понимать атмосферное давление, нужно знать определение давления: это отношение силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности. Знание о давлении жидкости помогает разобраться в опыте Торричелли: столб ртути давит на нижнюю часть трубки, а атмосферное давление уравновешивает его. Эти понятия пригодятся при изучении работы барометров и явлений, связанных с высотой. Наблюдения за атмосферным давлением также помогают изучать погоду.
Почему атмосферное давление не раздавливает человека?
Воздух давит на тело со всех сторон, а внутри организма есть жидкости и газы, которые оказывают встречное давление. Поэтому внешнее давление в обычных условиях уравновешивается внутренним. Резкое изменение давления может ощущаться, например, при быстром подъёме или спуске.
Как опыт Торричелли доказывает существование атмосферного давления?
Торричелли перевернул заполненную ртутью трубку в сосуд с ртутью, и часть ртути осталась в трубке. Столб удерживается потому, что воздух давит на поверхность ртути в сосуде. Значит, атмосфера оказывает давление, способное уравновесить давление столба.
Почему ртуть в трубке барометра не выливается полностью?
На ртуть в сосуде давит атмосфера, и это давление поддерживает столб ртути в трубке. Столб опускается лишь до той высоты, при которой его давление уравновешивается атмосферным. Над ртутью в трубке находится торричеллиева пустота.
Как связаны миллиметры ртутного столба и паскали?
Это разные единицы, которыми выражают давление. Для нормального атмосферного давления используют соответствие: 760 мм рт. ст. ≈ 101 300 Па. Для перевода других значений можно составить пропорцию.
Почему атмосферное давление уменьшается с высотой?
Чем выше точка над Землёй, тем меньше воздуха остаётся над ней. Верхние слои атмосферы давят на нижние, поэтому с уменьшением количества воздуха над точкой обычно уменьшается и давление.
§ 19. Атмосферное давление
