Вес воздуха. Атмосферное давление.
Опыт Торричелли. Приборы для измерения

Это опорный конспект уроков по физике в 7 классе по теме «Вес воздуха. Атмосферное давление. Опыт Торричелли. Измерение атмосферного давления. Приборы для измерения атмосферного давления».
Вернуться в ОГЛАВЛЕНИЕ конспектов.
ФОП ООО 4.5. Атмосфера Земли и атмосферное давление. Причины существования воздушной оболочки Земли. Опыт Торричелли. Зависимость атмосферного давления от высоты над уровнем моря
4.6. Измерение атмосферного давления. Приборы для измерения атмосферного давления.
ОГЭ 1.21.  Давление твёрдого тела. Формула для вычисления давления твёрдого тела. Давление газа. Атмосферное давление. Гидростатическое давление внутри жидкости. Формула для вычисления давления внутри жидкости:

Мы живем на дне океана воздуха, который давит на нас с силой в несколько тонн, но мы этого не чувствуем. Как так вышло? Кто первый доказал, что у воздуха есть вес? И как мы научились измерять эту невидимую силу? Разберем великие эксперименты, которые перевернули науку, и узнаем, как атмосферное давление помогает нам дышать, пить сок через трубочку и даже ставить банки при простуде.

Определение веса воздуха.

Мы привыкли думать, что воздух – это «ничто». Но это не так! У воздуха есть масса, а значит, есть и вес.

Доказательство (простой опыт): Возьмем два одинаковых шарика. Один накачаем воздухом, второй оставим сдутым. Положим их на чаши весов. Шарик с воздухом перевесит! Значит, воздух что-то весит.
Вес воздуха в комнате (Расчет): Представьте стандартную классную комнату:

• Длина \( a = 8 \, \text{м} \)
• Ширина \( b = 6 \, \text{м} \)
• Высота \( c = 3 \, \text{м} \)

Найдем объем комнаты:

\( V = a \cdot b \cdot c = 8 \cdot 6 \cdot 3 = 144 \, \text{м}^3 \).

Найдем массу воздуха в комнате:

\( m = \rho \cdot V = 1,29 \cdot 144 \approx 185,76 \, \text{кг} \).

Найдем вес этого воздуха (силу, с которой он давит на пол):

\( P = m \cdot g = 185,76 \cdot 10 \approx 1857,6 \, \text{Н} \)

Вывод: Над вами в классе висит почти 186 кг воздуха, а весит он около 1858 Ньютонов. И это только в одной комнате! Атмосфера над всей Землей весит \( 5,2 \cdot 10^{18} \) кг (это число с 18 нулями).

Зная вес воздуха, посчитаем Плотность воздуха (\( \rho \)): При нормальных условиях (температура 0°C, давление 760 мм рт. ст.) плотность воздуха равна:

\( \rho_{воздуха} \approx 1,29 \, \text{кг/м}^3 \)

Это значит, что 1 кубический метр воздуха (куб со стороной 1 метр) весит всего 1,29 кг (чуть тяжелее 1 литра воды, но легче 2-литровой бутылки газировки).

Атмосферное давление. Почему мы его не ощущаем?

📌 Атмосферное давление – это давление, которое оказывает воздушная оболочка Земли (атмосфера) на все тела, находящиеся на её поверхности.

Почему мы его не чувствуем? Представьте, что вы залезли под огромный матрас, который весит тонну. Вас бы раздавило. Но почему нас не раздавливает воздух?

• Причина №1: Давление внутри нас. Внутри нашего организма (в легких, в кровеносных сосудах, в клетках) есть воздух и жидкости, которые находятся под таким же давлением, что и снаружи. Мы буквально «накачаны» изнутри, и эти две силы (наружная и внутренняя) уравновешивают друг друга. Как кегля, которую сжимают с двух сторон одинаково – она не деформируется.
• Причина №2: Привыкание. Мы родились и живем под этим давлением всю жизнь. Наш организм адаптировался. Мы ощущаем только разницу давлений (когда резко взлетаем на самолете или ныряем под воду).

Влияние атмосферного давления на физические явления

Атмосферное давление – это великая «присоска» природы. Оно управляет множеством процессов:

1. Как мы пьем сок через трубочку? Вы втягиваете воздух из трубочки ртом. Давление внутри трубочки падает. А снаружи атмосферное давление давит на поверхность сока в стакане и загоняет его в трубочку вверх. Мы не «тянем» сок – мы создаем разряжение, а воздух толкает сок нам в рот!
2. Как работают медицинские банки? Внутри банки сжигают немного воздуха (или откачивают его). Давление внутри банки становится маленьким. Атмосферное давление снаружи вдавливает кожу в банку. (Это называется вакуум-терапия).
3. Присоски. Вы прижимаете резиновую присоску к стеклу – вы выдавливаете воздух из-под неё. Атмосферное давление снаружи прижимает присоску к стеклу с огромной силой, и она держит даже полку.
4. Лист бумаги на стакане. Накрываете стакан с водой листом бумаги и переворачиваете? Вода не выливается, потому что снизу на лист давит атмосферное давление (больше, чем вес воды).

Фонтан Герона Александрийского

Этот фонтан был изобретен древнегреческим ученым Героном почти 2000 лет назад. Он работает только за счет атмосферного давления и сжатого воздуха, без насосов! Как он устроен (упрощенно): Есть три сосуда. Верхний – открытая чаша (миска). Второй – закрытый сосуд, куда из чаши стекает вода. Третий – закрытый сосуд с водой.

Принцип:
1. Вода из верхней чаши стекает в средний сосуд (с водой).
2. Вода заполняет средний сосуд и вытесняет из него воздух по трубке в третий сосуд (с водой).
3. Воздух давит на воду в последнем сосуде. Под давлением этого воздуха вода начинает подниматься по трубке вверх и бить фонтаном, наполняя верхнюю чашу.
4. Чаша наполняется – вода снова стекает в средний сосуд… цикл повторяется, пока есть вода.

Это гениальное устройство показывает, как давление воздуха может совершать работу, не имея движущихся частей (кроме воды).

Опыт Торричелли (открытие атмосферного давления)

В 17 веке все думали, что вода в насосах поднимается «потому что природа боится пустоты». Итальянский ученый Эванджелиста Торричелли поставил опыт, который все объяснил.

Опыт:
1. Он взял стеклянную трубку длиной около 1 метра, запаянную с одного конца.
2. Залил в неё ртуть (тяжелую серебристую жидкость) до краев.
3. Закрыл отверстие пальцем, перевернул трубку и опустил открытым концом в чашку со ртутью.
4. Убрал палец.
Результат: Ртуть вылилась из трубки, но не полностью! Она остановилась на высоте примерно 76 см (760 мм) выше уровня ртути в чашке. Над ртутью в трубке образовалась пустота (её назвали «Торричеллиева пустота»).

Объяснение:
Ртуть в трубке удерживается давлением воздуха, которое давит на поверхность ртути в чашке. Воздух давит на ртуть в чашке и загоняет её в трубку. Столб ртути высотой 760 мм своим весом уравновешивает атмосферное давление.
• Чем больше атмосферное давление, тем выше столб ртути.
• Чем меньше, тем столб опускается.

Опыт Герике (Магдебургские полушария)

Немецкий ученый Отто фон Герике в 1654 году провел опыт, который поразил всю Европу и доказал силу атмосферного давления.

Опыт: Он взял два медных полушария диаметром около метра, сложил их вместе (получился шар) и через специальный кран выкачал из шара воздух насосом. Затем он приказал двум упряжкам лошадей (по 8 лошадей в каждой!) тянуть полушария в разные стороны. Лошади с трудом, но разорвали полушария – при этом раздался грохот, как от пушечного выстрела.

Объяснение: Внутри полушарий воздуха почти не было (давление близко к нулю). Снаружи на полушария давило атмосферное давление. Сила давления на площадь полушарий была настолько огромной, что 16 лошадей еле-еле смогли преодолеть её.

Нормальное атмосферное давление

Это международный стандарт, принятый для расчетов.

Нормальное атмосферное давление – это давление, которое уравновешивает столб ртути высотой 760 мм при температуре 0°C на уровне моря на широте 45°.
В цифрах:

\( p_{норм} = 760 \, мм.рт.ст. = 101 \, 325 \, Па \approx 101 \, кПа \approx 1 \, атмосфера \).

Единицы атмосферного давления

В физике и метеорологии используются разные единицы:
1. Паскали (Па), кПа. (Основная единица в СИ). Нормальное давление ≈ 101,3 кПа.
2. Миллиметры ртутного столба (мм рт. ст.). Удобно для барометров. Норма = 760 мм рт. ст.
3. Атмосферы (атм). 1 атм = 760 мм рт. ст.

📌 Запоминалка:
1 мм рт. ст. ≈ 133,3 Па.
Значит, 760 * 133,3 ≈ 101 300 Па.

Зависимость атмосферного давления от высоты

С высотой воздух становится реже (меньше молекул в единице объема). Значит, его плотность и вес уменьшаются.

При подъеме вверх атмосферное давление падает.

Закономерность (в среднем): В нижних слоях атмосферы (до 2 км) давление падает примерно на 1 мм рт. ст. на каждые 10,5 метров подъема.
Пример: Если вы поднялись на 210 метров, давление упало примерно на 20 мм рт. ст. (с 760 до 740).

Именно из-за этого в горах вода закипает при температуре ниже 100°C (потому что давление меньше и воде легче превращаться в пар), и люди испытывают горную болезнь (не хватает кислорода).

Приборы для измерения давления

А) Ртутный барометр (Самый точный)

Это трубка Торричелли с линейкой. Чем выше столб ртути, тем больше давление. Точный, но громоздкий и опасный (ртуть ядовита).

Б) Барометр-анероид (От греческого «безжидкостный»)

Это металлическая круглая коробочка, из которой частично выкачан воздух. Сверху у неё тонкая гофрированная крышка (мембрана). При изменении атмосферного давления крышка прогибается внутрь или выгибается наружу. С помощью системы рычагов это движение передается на стрелку, которая бегает по шкале. Удобно, безопасно, можно носить с собой.

В) Манометр (Для измерения давления выше или ниже атмосферного)

Манометры используются в технике: чтобы измерить давление воздуха в шинах, пара в котле, газа в баллоне.
• Если давление больше атмосферного – манометр показывает избыточное давление.
• Если давление меньше атмосферного (вакуум) – используется вакуумметр.

Устройство манометра: Это изогнутая в дугу металлическая трубка, запаянная с одного конца. При подаче давления трубка распрямляется (пытается выпрямиться) и через рычаг двигает стрелку.

Измерение кровяного давления (Применение в жизни)

Это самый близкий пример для человека. Атмосферное давление играет здесь ключевую роль.

Как работает тонометр (аппарат для измерения давления)?
1. Вы надеваете манжету на плечо.
2. Нагнетаете в неё воздух (создаете давление в манжете большее, чем артериальное давление в руке). Манжета пережимает артерию — кровоток останавливается.
3. Медленно выпускаете воздух из манжеты. Давление в манжете начинает падать.
4. В тот момент, когда давление в манжете становится чуть ниже, чем систолическое (верхнее) давление в сосуде, кровь с силой пробивается через пережатый участок. Врач слышит первый удар в фонендоскопе — это верхнее давление.
5. Когда воздух выходит полностью и манжета перестает давить, шумы исчезают – это нижнее давление.

Суть: Мы измеряем не само кровяное давление напрямую, а давление в манжете, которое уравновешивает давление крови. Это работает по принципу сообщающихся сосудов и уравновешивания сил через давление воздуха.

Типовые задачи на атмосферное давление

Вот 3 задачи, которые часто встречаются в контрольных работах и ВПР. Разберем их пошагово.

ЗАДАЧА №1 (Перевод единиц давления)

Условие: Барометр-анероид показывает давление 750 мм рт. ст. Выразите это давление в килопаскалях (кПа).
Справка: 1 мм рт. ст. ≈ 133,3 Па.
Дано:
\( p = 750 \, \text{мм рт. ст.} \)
\( 1 \, \text{мм рт. ст.} = 133,3 \, \text{Па} \)
Решение:
1. Переводим в Паскали: \( p = 750 \cdot 133,3 = 99\,975 \, \text{Па} \).
2. Переводим в килопаскали (делим на 1000): \( p = 99\,975 / 1000 \approx 99,98 \, \text{кПа} \).
Ответ: \( 750 \, \text{мм рт. ст.} \approx 100 \, \text{кПа} \). (Это почти нормальное давление, чуть ниже 760 мм).

ЗАДАЧА №2 (Расчет силы давления атмосферы)

Условие: Площадь поверхности тетрадного листа (лежащего на столе) равна \( S = 0,06 \, \text{м}^2 \). Атмосферное давление составляет \( p = 100\,000 \, \text{Па} \) (100 кПа).
С какой силой воздух давит на этот лист сверху? Удивитесь ли вы, когда узнаете ответ?
Дано:
\( S = 0,06 \, \text{м}^2 \)
\( p = 100\,000 \, \text{Па} \)
\( F — ? \)
Решение:
1. Используем основную формулу давления: \( p = \frac{F}{S} \).
2. Выражаем силу: \( F = p \cdot S \).
3. Подставляем цифры: \( F = 100\,000 \cdot 0,06 = 6\,000 \, \text{Н} \).
Ответ: \( F = 6\,000 \, \text{Н} \) (это примерно 600 кг силы! Это вес небольшого автомобиля).

Объяснение (почему лист не продавливается): Потому что снизу на лист давит такая же сила (атмосфера давит и снизу, под лист тоже проникает воздух). Силы уравновешивают друг друга. Но если вы выкачаете воздух из-под листа (вакуумной тарелкой), то атмосфера сверху раздавит его в лепешку.

ЗАДАЧА №3 (Зависимость давления от высоты — сложная, но интересная)

Условие: У подножия горы высота ртутного столба в барометре равна 760 мм. Альпинист поднялся на вершину, где давление стало равно 540 мм рт. ст.
Считая, что в нижних слоях атмосферы давление падает на 1 мм рт. ст. при подъеме на каждые 10,5 метров, определите высоту горы.
Дано:
\( p_1 = 760 \, \text{мм рт. ст.} \) (у подножия)
\( p_2 = 540 \, \text{мм рт. ст.} \) (на вершине)
\( h_{1мм} = 10,5 \, \text{м} \) (высота, на которую надо подняться, чтобы давление упало на 1 мм рт. ст.)
Решение:
1. Найдем разницу давлений:
\( \Delta p = p_1 — p_2 = 760 — 540 = 220 \, \text{мм рт. ст.} \)
1. Это значит, что давление упало на 220 «делений» (мм).
2. Чтобы узнать высоту горы, умножим эту разницу на количество метров, которое соответствует падению на 1 мм:
\( H = \Delta p \cdot 10,5 = 220 \cdot 10,5 \).
Расчет:
\( 220 \cdot 10 = 2200 \)
\( 220 \cdot 0,5 = 110 \)
\( 2200 + 110 = 2310 \, \text{м} \).
Ответ: Высота горы примерно \( 2310 \, \text{метров} \). (Это высота средней крымской горы или Эльбруса, если округлить).

КОРОТКО О ГЛАВНОМ (ИТОГИ)

1. Воздух имеет вес (1,29 кг в 1 м³), поэтому он давит на нас с силой – это атмосферное давление.
2. Мы его не чувствуем, потому что давление внутри нашего тела такое же, как снаружи (мы уравновешены).
3. Опыт Торричелли доказал давление и дал эталон – 760 мм рт. ст.
4. Опыт Герике показал, что 16 лошадей еле разрывают шар, из которого выкачали воздух.
5. Нормальное давление: 760 мм рт. ст. = 101 кПа.
6. С подъемом в горы давление падает (на 1 мм рт. ст. каждые 10,5 м).
7. Барометр-анероид измеряет давление, используя прогиб металлической мембраны.
8. Манометр измеряет избыточное давление в шинах, котлах и баллонах.
9. Тонометр измеряет кровяное давление, используя уравновешивание давления воздуха в манжете и давления крови в сосуде.

❓ Вопрос на подумать (для закрепления):

Почему в самолете при взлете у пассажиров «закладывает уши»?

⚡️ Смотрите также 7 видеоуроков по теме конспекта:
0:43:50 Понятие атмосферного давления
0:44:18 Использование атмосферного давления живыми организмами
0:45:33 Строение атмосферы Земли
0:46:02 Нормальное атмосферное давление
0:47:02 Барометр-анероид
0:47:36 Манометр
0:48:00 Опыт с манометром

Вы смотрели конспект по физике для 7 класса «Вес воздуха. Атмосферное давление. Опыт Торричелли. Измерение атмосферного давления. Приборы для измерения атмосферного давления». 

• Вернуться к Списку конспектов по физике для 7-11 классов
• Найти конспект через Кодификатор ОГЭ по физике
• Найти конспект через Кодификатор ЕГЭ по физике