Қазақша рефераттар

Торричелли тәжірибесі

Атмосфералық қысым: Торричелли тәжірибесі, барометр және қысымның биіктікке тәуелділігі

Жердің бетін ауа қабығы — атмосфера қоршап тұрады. «Атмосфера» сөзі грек тілінен шыққан: atmos — бу, ауа, ал sphaira — шар. Атмосфера газдар қоспасынан тұрады: оттегі (O2) шамамен 21%, азот (N2) шамамен 78%, көмірқышқыл газы (CO2) шамамен 0,03%, сондай-ақ инертті газдар және басқа қоспалар бар.

Атмосфералық қысым қалай пайда болады?

Атмосфера бірнеше қабаттан тұрады. Ауырлық күшінің әсерінен жоғарғы қабаттар төменгі қабаттарға қысым түсіреді.

Атмосфера — газ. Сондықтан Паскаль заңы бойынша қысым барлық бағытқа бірдей таралады. Жер бетіне және ондағы барлық денелерге ауа қысымы әсер етеді.

Маңызды ой: атмосфералық қысым — «сырттан» ғана әсер ететін күш емес. Адам ағзасының ішінде де қысым бар, сондықтан біз өте үлкен атмосфералық күштің әсерін «жаншылып қалғандай» сезінбейміз.

Сыныптағы демонстрациялар: құбылысты көзбен көру

1-тәжірибе: резеңке қабықтың ішке тартылуы

Шыны воронканың аузын жұқа резеңке қабықпен жауып, ішіндегі ауаны сорып алсақ, қабық ішке қарай тартылады. Себебі ішкі қысым азаяды да, сырттағы атмосфералық қысым қабықты ішке қысады.

2-тәжірибе: қанттың құрғақ күйде шығуы

Қанты бар ыдысты төңкеріп, суға батырып, кейін қайта көтергенде, қант құрғақ күйде қалуы мүмкін. Мұнда су бірден ішке кірмейді, өйткені ыдыс ішінде ауа қуысы сақталады, ал атмосфералық қысым су бағанының қозғалысына әсер етеді.

3-тәжірибе: су түбіндегі тиынды суға тимей алу

Белгілі бір әдіспен стаканды қолданғанда су бір бөлігі стакан ішіне «жиналып», түбіндегі тиынды суға тигізбей алуға мүмкіндік туады. Бұл құбылысты талқылағанда қысым айырмасы, ауа көлемінің өзгеруі және сыртқы ауа қысымының рөлі негізгі түсіндірме болады.

Неге атмосфералық қысымды бірден p = ρgh формуласымен таба алмаймыз?

Гидростатикалық қысым формуласы p = ρgh тығыздығы тұрақты болатын сұйыққа ыңғайлы. Ал атмосферада ауа тығыздығы биіктік бойынша өзгереді және атмосфераның нақты шекарасы жоқ. Сондықтан атмосфералық қысымды тікелей осы формуламен дәл есептеу қиын.

Торричелли тәжірибесі: атмосфералық қысымды өлшеудің бастамасы

Атмосфералық қысымды өлшеу әдісін алғаш ұсынған — итальян ғалымы Э. Торричелли. Ұзындығы шамамен 1 м, бір ұшы бітеу шыны түтік сынаппен толтырылады. Түтіктің аузын жауып, сынап құйылған ыдысқа төңкеріп батырады.

Түтіктегі сынаптың бір бөлігі ыдысқа төгіледі, ал түтікте шамамен 76 см сынап бағаны қалады. Торричелли бұл бағанды ұстап тұрған — атмосфералық қысым деген қорытындыға келді.

Қалыпты атмосфералық қысым

0 °C температурада 760 мм сынап бағанына тең қысым қалыпты атмосфералық қысым деп қабылданған.

Гидростатикалық тәсілмен есептеу:

p = ρgh

  • ρ(сынап) = 13 595,1 кг/м3 (0 °C)
  • g = 9,80665 Н/кг
  • h = 760 мм = 0,76 м

Нәтиже:

p ≈ 101 325 Па

Демек, 760 мм сын. бағ. ≈ 101 325 Па, ал 1 мм сын. бағ. ≈ 133,3 Па.

Торричелли атмосфералық қысымның ауа райына байланысты өзгеретінін де байқаған. Кейін оның қондырғысы атмосфералық қысымды өлшейтін негізгі құралға айналды.

Қысымнан күшке: F = p·S

Қысымның әсерін күш арқылы бағалау үшін F = p·S формуласы қолданылады. Егер p = 105 Па және S = 1 м2 болса, онда:

F = 105 Н

Бұл шамамен массасы 10 т дененің ауырлық күшіне тең: F ≈ mg ⇒ m ≈ 104 кг.

Алайда бұл күш адам денесіне толықтай бір нүктеге емес, барлық ауданға таралып әсер етеді және ағза ішіндегі қысыммен теңгеріледі.

Отто фон Герике және Магдебург жартышарлары

Неміс физигі Отто фон Герике (1602–1686) атмосфералық қысымның бар екенін тәжірибе жүзінде дәлелдеді. Ол жұқа қабырғалы металл шардың ішіндегі ауаны сорып алып, шардың жиырылып қалғанын байқайды. Бұл — сыртқы ауа қысымының әсері.

1654 жылы Герике Магдебург жартышарлары тәжірибесін жасайды: бір-біріне қосылған екі жарты шардың ішіндегі ауа сорып алынады. Атмосфералық қысым жартышарларды сондай күшпен «жабыстырады» — оларды ажырату үшін бірнеше ат жегуге тура келген.

Барометр: атмосфералық қысымды өлшейтін құрал

Атмосфералық қысымды өлшейтін құрал барометр деп аталады (грекше baros — ауырлық, metreo — өлшеймін). Сұйықсыз барометр түрі барометр-анероид деп аталады (грекше aneros — сұйықсыз).

Қысымның биіктікке тәуелді өзгеруі және альтиметр

Атмосфера қабаттары шартты түрде: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера болып бөлінеді. Биіктеген сайын атмосфералық қысым азаюға бейім.

Паскаль Торричелли барометрін биік орындарға көтеріп, сынап бағанының төмендейтінін байқаған. Тәжірибелік жуықтау бойынша теңіз деңгейінен шамамен 120 м көтерілген сайын сынап бағаны 1 см-ге төмендейді.

Авиацияда биіктікті өлшейтін аспап альтиметр деп аталады. Ол қысымның биіктік бойынша өзгеруін пайдаланып, ұшақтың биіктігін анықтайды.

Есептер (үлгілер)

1) Биіктікті барометр арқылы жуықтап табу

Қалыпты қысым: p0 = 760 мм сын. бағ. Берілген қысым: p = 722 мм сын. бағ. Қысым айырмасы: Δp = 760 − 722 = 38 мм.

120 м биіктікке көтерілген сайын 10 мм сын. бағ. төмендейді (1 см = 10 мм).

h = (120 м · 38) / 10 = 456 м ≈ 460 м

Жауабы: h ≈ 460 м.

2) Атмосфераның бетке түсіретін күші

p0 = 101 325 Па, S = 1,6 м2. Күш:

F = p·S = 101 325 · 1,6 = 162 120 Н ≈ 162 кН

Жауабы: F ≈ 162 кН.

Бекіту сұрақтары (сөзжұмбаққа арналған ұғымдар)

  • «Atmos» сөзінің мағынасы: ауа (бу)
  • Биіктікті көрсететін құрал: альтиметр
  • Атмосфералық қысымды өлшейтін құрал: барометр
  • «Ауырлық» сөзінің грекше түбірі: baros
  • Күштің ауданға қатынасы: қысым
  • Жүрек соғуы (грекше): sphygmos
  • Атмосфералық қысымды анықтаған ғалым: Торричелли
  • Дене пішіні мен өлшемдерінің өзгеруі: деформация
  • Қысымның өлшем бірлігі: паскаль

Үй тапсырмасы

§40. Атмосфералық қысымның биіктікке байланысты өзгеруі.
§41. Атмосфералық қысым. Торричелли тәжірибесі. Барометр.