3. Барометры

Определения и обозначения

Барометр — прибор для измерения атмосферного давления, то есть давления воздуха, окружающего Землю. Он нужен метеорологам для наблюдения за погодой, а также применяется в высотомерах и других измерительных системах.

Ртутный барометр — прибор, в котором давление атмосферы уравновешивается давлением столбика ртути. Высота этого столбика связана с давлением, поэтому по шкале можно определить его значение.

Барометр-анероид — прибор без жидкости, где изменение атмосферного давления деформирует герметичную металлическую коробочку. Деформация передаётся стрелке, и показание считывают по шкале.

Нормальное атмосферное давление — давление 760 мм рт. ст., равное примерно 101325 Па. Это принятое для сравнения значение, а не одинаковое давление во всех местах и в любое время.

Как это устроено

В ртутном барометре атмосферный воздух давит на поверхность ртути в резервуаре. Ртуть поднимается в трубке до тех пор, пока давление её столбика не сравняется с давлением атмосферы. Поэтому высота столбика становится мерой атмосферного давления: при большем давлении равновесие устанавливается на большей высоте.

Показание возникает именно из условия равновесия давлений, а не просто из-за массы ртути. Давление столбика зависит от его высоты, плотности ртути и силы тяжести. Если давление воздуха изменилось, равновесие нарушается: ртуть перемещается, пока давления снова не сравняются.

Основные части ртутного барометра — стеклянная трубка, резервуар с ртутью и шкала. Трубка запаяна сверху и заполнена ртутью, поэтому над столбиком почти нет воздуха. Резервуар открытый: на его поверхность действует атмосфера, а шкала позволяет отсчитать высоту столбика в миллиметрах ртутного столба.

В барометре-анероиде находится тонкая герметичная металлическая коробочка, из которой удалён воздух. Её упругие стенки немного прогибаются при изменении внешнего давления. Система рычагов и пружин увеличивает это малое движение и передаёт его стрелке, которая поворачивается над шкалой.

Показания барометра меняются вместе с атмосферным давлением. При подъёме вверх над прибором остаётся меньший слой воздуха, поэтому давление обычно уменьшается. Перед изменением погоды давление также может быстро падать или расти: барометр показывает именно это изменение, а не температуру.

Сравнение ртутного барометра и барометра-анероида

Таблицу удобно использовать, если нужно быстро сравнить не только устройство, но и практические свойства приборов. Оба барометра измеряют одну величину, однако делают это разными способами.

Разбор задач

Задача 1

Барометр показывает 750 мм рт. ст. Определим атмосферное давление в паскалях, если 760 мм рт. ст. ≈ 101325 Па.

1. Составим пропорцию: 750 мм рт. ст. соответствует x Па, а 760 мм рт. ст. — 101325 Па.
2. Вычислим: x = 750 · 101325 / 760 ≈ 99992 Па.
3. Округлим результат: x ≈ 100000 Па, или примерно 100 кПа.

Ответ: атмосферное давление примерно равно 100000 Па.

Задача 2

У подножия горы барометр показывал 760 мм рт. ст., а на вершине — 700 мм рт. ст. Сравним давление в этих местах.

1. Показание барометра соответствует атмосферному давлению, поэтому сравниваем 760 и 700 мм рт. ст.
2. Вычтем меньшее значение из большего: 760 − 700 = 60 мм рт. ст.
3. Меньшее показание на вершине означает, что при подъёме давление уменьшилось на 60 мм рт. ст.

Ответ: давление больше у подножия; на вершине оно меньше на 60 мм рт. ст.

Задача 3

Барометр-анероид показал сначала 101 кПа, а затем 96 кПа. Найдём изменение давления и предположим, как может измениться погода.

1. Определим разность показаний: 101 − 96 = 5 кПа.
2. Так как второе значение меньше первого, давление упало на 5 кПа.
3. Падение давления часто сопровождает приближение облачности, ветра или осадков, поэтому вероятно ухудшение погоды.

Ответ: давление уменьшилось на 5 кПа; вероятно ухудшение погоды, но это не абсолютно точный прогноз.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что барометр измеряет давление внутри самого прибора. Так думают, потому что измерение происходит внутри корпуса, но прибор сравнивает или воспринимает давление окружающего воздуха. Проверьте себя: в ответе должно быть указано атмосферное давление.

Ошибка: путать миллиметры ртутного столба с паскалями. Причина — обе единицы описывают давление, но их числовые значения не совпадают. Проверка проста: используйте 760 мм рт. ст. ≈ 101325 Па и переводите величины пропорцией.

Ошибка: объяснять работу ртутного барометра только массой ртути. Масса создаёт давление столбика, но показание определяется его равновесием с атмосферой. Спросите себя, какие два давления сравниваются в приборе.

Ошибка: считать повышение или понижение давления непосредственным измерением температуры. Барометр измеряет давление, а не температуру; связь с погодой является косвенной. Для проверки назовите величину на шкале и её единицу.

Связь с другими темами

Для понимания барометров нужны знания об атмосферном давлении, давлении жидкости, единицах давления и равновесии давлений. Эти идеи объясняют, почему высота столбика ртути связана с показанием прибора.

Тема помогает наблюдать изменение погоды и объяснять зависимость давления от высоты. Сравнивая показания в разных местах или в разное время, можно увидеть эту зависимость на практике.

Барометры применяют в метеорологических приборах, высотомерах и измерительных системах. Поэтому изучение их устройства связывает школьную физику с практическими технологиями.

Что запомнить

• Барометр измеряет атмосферное давление.
• В ртутном барометре атмосферное давление уравновешивается давлением столбика ртути.
• Нормальное атмосферное давление равно 760 мм рт. ст. или примерно 101325 Па.
• Барометр-анероид работает без жидкости.
• В анероиде изменение давления вызывает деформацию герметичной металлической коробочки.
• При подъёме на высоту атмосферное давление обычно уменьшается.
• Изменение показаний барометра помогает судить об изменении погоды.