Физика и цифровые технологии
АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ
В сводке погоды обязательно сообщают наряду с температурой ещё и атмосферное давление. Считается, что его изменение влияет на самочувствие человека. Однако при подъёме в горы давление также меняется. В Москве высота современных зданий тоже немаленькая. Получается, что подъём в своё жилище на верхний этаж небоскрёба и спуск вниз могут также влиять на самочувствие, как и изменение атмосферного давления, связанное с приходом циклона или антициклона. Можно ли сравнить эти изменения давления друг с другом, например, измерить изменение атмосферного давления при подъёме на верхний этаж высотного здания?
Как меняется атмосферное давление при подъёме на верхние этажи здания?
Оборудование и материалы
2. Рулетка или линейка, можно и лазерный дальномер.
Соотношение единиц атмосферного давления:
1 мм рт. ст. = 133 Па
Некоторые приборы меряют давление в гектопаскалях (гПа): «гекто» по-гречески означает «сто».
1 мм рт. ст. = 133 Па
Некоторые приборы меряют давление в гектопаскалях (гПа): «гекто» по-гречески означает «сто».
Лабораторное исследование с использованием датчиков личного смартфона
Исследовательский вопрос: Как меняется атмосферное давление при подъёме на верхние этажи здания?
Исследовательский вопрос: Как меняется атмосферное давление при подъёме на верхние этажи здания?
Запиши гипотезу – предполагаемый ответ на вопрос: Как изменится атмосферное давление при перемещении с 1-го этажа на последний?
Измерь, как меняется атмосферное давление с высотой. При подъёме и спуске на лифте измеряй давление смартфоном и фиксируй на графике. Для повышения точности придётся делать повторы: 3 раза прокатиться вверх и 3 раза вниз (6 экспериментов).
Зафиксируй данные: заполни таблицу, дай название таблице.
Ссылка на таблицу
Опиши словами, как изменяется атмосферное давление при подъёме наверх.
Ссылка на таблицу
Опиши словами, как изменяется атмосферное давление при подъёме наверх.
1. Работайте в паре. Проведите измерение высоты одного этажа любым доступным способом, запишите результат измерения: h1 =
2. Кратко опишите использованный метод (способ) измерения высоты этажа.
3. Подумайте, сколько таких расстояний укладывается от нижнего этажа до верхнего: N =
4. Рассчитайте общую высоту подъёма: H =
5. При перемещении на эту высоту давление изменилось на: Δp (переведи паскали в мм рт. ст.) =
6. На сколько нужно подняться, чтобы давление выросло на 1 мм рт. ст? (Если не знаете, как вычислить, попросите подсказки у одноклассников, если не помогут — у учителя).
7. При подъёме на какое число метров атмосферное давление изменяется на 1 мм рт. ст.? Ответ обведи.
2. Кратко опишите использованный метод (способ) измерения высоты этажа.
3. Подумайте, сколько таких расстояний укладывается от нижнего этажа до верхнего: N =
4. Рассчитайте общую высоту подъёма: H =
5. При перемещении на эту высоту давление изменилось на: Δp (переведи паскали в мм рт. ст.) =
6. На сколько нужно подняться, чтобы давление выросло на 1 мм рт. ст? (Если не знаете, как вычислить, попросите подсказки у одноклассников, если не помогут — у учителя).
7. При подъёме на какое число метров атмосферное давление изменяется на 1 мм рт. ст.? Ответ обведи.
Посмотри видео и ответь на вопрос: почему с помощью насоса нельзя поднять воду на высоту более 10 м?
Насосы для подъёма воды придуманы более 2 тысяч лет назад. Но вот беда! При строительстве системы полива садов во Флоренции в начале XVII века ни один из насосов не мог поднять воду на нужную высоту (более 10 метров). За помощью обратились к великому физику Галилео Галилею. У Галилея был ученик – Эванджелиста Торричелли (1608-1647), который исследовал этот вопрос, поставив свой знаменитый опыт.
Опыт Торричелли. Он наполнил ртутью длинную трубку, один конец которой был закрыт. Заткнул пальцем и перевернул её вверх дном – часть ртути вытекла в сосуд, оставив висеть в воздухе столбик ртути высотой 760 мм. А ведь ртуть очень тяжёлая – в 13,6 раза тяжелее воды! Что же держит тяжёлый столб ртути, не давая ему выливаться?
Опыт Торричелли. Он наполнил ртутью длинную трубку, один конец которой был закрыт. Заткнул пальцем и перевернул её вверх дном – часть ртути вытекла в сосуд, оставив висеть в воздухе столбик ртути высотой 760 мм. А ведь ртуть очень тяжёлая – в 13,6 раза тяжелее воды! Что же держит тяжёлый столб ртути, не давая ему выливаться?
Объяснение Торричелли: вес ртути удерживается атмосферным давлением! Оно давит сверху на вылившуюся в сосуд ртуть. По закону Паскаля атмосферное давление передается в трубку. Оно действует снизу на ртуть, противодействуя весу столба ртути. Ртуть не выливается, потому что её давление равно давлению атмосферы. А что находится в трубке сверху над ртутью? Ответ Торричелли – пустота! В этой части трубки нет воздуха и потому не действует атмосферное давление. Так был изобретён ртутный БАРОМЕТР – прибор для измерения атмосферного давления.
Знаете ли вы ответ на вопрос, почему пары ртути в пустоте несущественно меняют картину?
Знаете ли вы ответ на вопрос, почему пары ртути в пустоте несущественно меняют картину?
Поэтому наряду с основными единицами для измерения давления воздуха раньше использовались миллиметры ртутного столба (сокращенно мм рт. ст.). Этой единицей пользуются и сейчас, наряду со стандартной единицей системы Си паскалем (Па).
Величина нормального атмосферного давления – 760 мм рт. ст. А сколько это будет в паскалях? Расчет, можно пропустить.
В чём причина такого высокого давления воздуха? — Это вес воздуха! Торричелли дал это объяснение в письме своему другу: «Мы живём на дне воздушного океана…» — такое важное утверждение сделал учёный в том же письме. Постойте! Воздух же почти ничего не весит! — Это неверное утверждение [но поскольку «почти ничего», то, скорее, можно считать это утверждение верным]: масса литра (1 дм3) воздуха 1,3 г (плотность воздуха — 0,0013 г/см3). Для сравнения — масса 1 л воды — 1 кг (почти в 1000 раз больше). Масса невелика, но зато высота столба воздуха — несколько километров!
В чём же проблема с подъёмом воды на высоту более 10 м? Вода в насосах шла вверх под действием атмосферного давления. А столб воды 10 м оказывает давление, равное атмосферному, потому и не может быть выше.
Величина нормального атмосферного давления – 760 мм рт. ст. А сколько это будет в паскалях? Расчет, можно пропустить.
В чём причина такого высокого давления воздуха? — Это вес воздуха! Торричелли дал это объяснение в письме своему другу: «Мы живём на дне воздушного океана…» — такое важное утверждение сделал учёный в том же письме. Постойте! Воздух же почти ничего не весит! — Это неверное утверждение [но поскольку «почти ничего», то, скорее, можно считать это утверждение верным]: масса литра (1 дм3) воздуха 1,3 г (плотность воздуха — 0,0013 г/см3). Для сравнения — масса 1 л воды — 1 кг (почти в 1000 раз больше). Масса невелика, но зато высота столба воздуха — несколько километров!
В чём же проблема с подъёмом воды на высоту более 10 м? Вода в насосах шла вверх под действием атмосферного давления. А столб воды 10 м оказывает давление, равное атмосферному, потому и не может быть выше.
Найдём давление столба ртути на площадь 1 см2. Объём ртути в трубке: V = 760 мм х 1 см2 = 76 см3. Масса этого объёма ртути: m = 76 см3 х 13,6 г/см3 = 1033,6 г. Округлим до 1 кг. Вес этой ртути – 10 Н. Её давление на площадку 1 см2: p = F/S = 10 Н/0,0001 м2 = 100 000 Па.).
Итак, величина нормального атмосферного давления - 100 000 Па.
Итак, величина нормального атмосферного давления - 100 000 Па.
В фильме упоминается знаменитый опыт Отто фон Герике, в котором 16 лошадей не могли растащить пару полушарий, которые прижимались друг к другу только атмосферным давлением. Рассчитай, какая сила требуется для того, чтобы разъединить полушария. Диаметр полушарий указан в фильме. Реши задачу, используя алгебраический калькулятор Desmos или Geogebra и описанный алгоритм.
Процесс расчёта в приложении
Алгоритм действий
Процесс расчёта в приложении
Алгоритм действий
Процесс расчета в приложении (например, desmos или geogebra) аналогичен обычной последовательности решения простой физической задачи:
- нужно записать краткое условие,
- выразить все величины в основных единицах (СИ),
- записать формулу,
- подставить в неё численные значения величин,
- произвести расчёт,
- записать ответ в основных единицах.
- При этом цифровые инструменты компьютерной алгебры выполняют функцию расчёта (шаги 4 и 5) автоматически. Сначала записывается формула, потом все известные величины. Значение искомой величины высвечивается сразу же после ввода последнего значения в строке исходной формулы (без единиц измерения – в основных единицах).
- В браузере наберите desmos.com geogebra.com, или установите на своём мобильном устройстве соответствующее приложение.
- Выберите «Научный калькулятор» из списка приложений.
- Запишите согласно условию задачи все известные численные значения величин, вводя каждую из них по очереди в отдельную строку и нажимая клавишу ввода по завершении. Единицы измерения добавлять не нужно, необходимо, однако, чтобы все величины были выражены в основных единицах.
- В последней строке наберите формулу, соответствующую условию задачи. Сделать это можно с клавиатуры или воспользоваться экранной клавиатурой приложения, для чего нажмите на вкладку «abc». Если нет знака нужной математической операции, нажмите на вкладку «осн.». Практически любую формулу можно набрать, переключаясь при необходимости между тремя вкладками: осн. (основные математические символы и операции); abc (символы); функ. (математические функции).
- После завершения набора формулы справа в этой же строке появляется численное значение искомой величины.
Прочтите статью, пройдя по ссылке, и обсудите в группе вопрос: какие факторы погоды оказывают воздействие на человеческий организм? Запишите свой вывод. У каждого члена группы может быть своё мнение и уж точно должна быть своя формулировка.
