Способы измерения атмосферного давления кратко

Обновлено: 08.07.2024

Участник: Вертушкин Иван Александрович
Руководитель: Виноградова Елена Анатольевна

Введение

Сегодня за окном идёт дождь. После дождя уменьшилась температура воздуха, увеличилась влажность и уменьшилось атмосферное давление. Атмосферное давление является одним из основных факторов, определяющих состояние погоды и климата, поэтому знания об атмосферном давлении необходимы в прогнозировании погоды. Большое практическое значение имеет умение измерять атмосферное давление. И его можно измерить специальными приборами-барометрами. В жидкостных барометрах при изменении погоды столбик жидкости понижается или повышается.

Знания об атмосферном давлении необходимы в медицине, в технологических процессах, жизнедеятельности человека и всех живых организмов. Существует прямая связь между изменениями атмосферного давления и изменениями погоды. Рост или понижение атмосферного давления может служить признаком изменения погоды и влияет на самочувствие человека.

Описание трёх взаимосвязанных физических явлений из повседневной жизни:

Связь между погодой и атмосферным давлением.
Явления, лежащие в основе работы приборов для измерения атмосферного давления.
Зависимость давления жидкости от высоты столба жидкости в жидкостных барометрах.

Актуальность работы

Актуальность выбранной темы состоит в том, что во все времена люди, благодаря своим наблюдениям за поведением животных могли предугадать изменения погоды, стихийные бедствия, избежать людских жертв.

Влияние атмосферного давления на наш организм неизбежно, резкие изменения атмосферного давления влияют на самочувствие человека, особенно страдают метеозависимые люди. Конечно, уменьшить влияние атмосферного давления на здоровье человека мы не в силах, но помочь собственному организму можем. Правильно организовать свой день, распределить время между трудом и отдыхом может помочь умение измерять атмосферное давление, знание народных примет, использование самодельных приборов.

Цель работы: выяснить, какую роль в повседневной жизни человека играет атмосферное давление.

Задачи:

Изучить историю измерения атмосферного давления.
Установить, есть ли связь между погодой и атмосферным давлением.
Изучить виды приборов, предназначенных для измерения атмосферного давления, изготовленных человеком.
Изучить физические явления, лежащие в основе работы приборов для измерения атмосферного давления.
Зависимость давления жидкости от высоты столба жидкости в жидкостных барометрах.

Методы исследования

Анализ литературы.
Обобщение полученной информации.
Наблюдения.

Область исследования: атмосферное давление

Гипотеза: атмосферное давления имеет важное значение для человека.

Значимость работы: материал данной работы может быть использован на уроках и во внеурочной деятельности, в жизни моих одноклассников, учеников нашей школы, всеми любителями исследований природы.

План работы

I. Теоретическая часть (сбор информации):

Обзор и анализ литературы.
Интернет-ресурсы.

II. Практическая часть:

наблюдения;
сбор информации о погоде.

III. Заключительная часть:

История измерения атмосферного давления

Мы живем на дне огромного воздушного океана, называемого атмосферой. Все изменения, которые происходят в атмосфере, непременно оказывают влияние на человека, на его здоровье, способы жизнедеятельности, т.к. человек является неотъемлемой частью природы. Каждый из факторов, определяющих погоду: атмосферное давление, температура, влажность, содержание в воздухе озона и кислорода, радиоактивность, магнитные бури и др. оказывает прямое или косвенное воздействие на самочувствие и здоровье человека. Остановимся на атмосферном давлении.

Атмосферное давление — это давление атмосферы на все находящиеся в ней предметы и Земную поверхность.

В 1640 году великий герцог Тосканский решил устроить фонтан на террасе своего дворца и приказал для этого подвести воду из ближайшего озера с использованием всасывающего насоса. Приглашенные флорентийские мастера сказали, что это невозможно, потому что воду нужно было всасывать на высоту более 32 футов (более 10 метров). А почему вода не всасывается на такую высоту, объяснить не могли. Герцог попросил разобраться великого ученого Италии Галилео Галилея. Хотя ученый уже был стар и болен и не мог заняться экспериментами, он все-таки предположил, что решение вопроса лежит в области определения веса воздуха и его давления на водную поверхность озера. За разрешение этого вопроса взялся ученик Галилея Эванджелиста Торричелли. Для проверки гипотезы своего учителя он провел свой знаменитый опыт. Стеклянную трубку длиной 1 м, запаянную с одного конца, заполнил полностью ртутью, и плотно закрыв открытый конец трубки, перевернул ее этим концом в чашку с ртутью. Часть ртути из трубки вылилась, часть осталась. Над ртутью образовалось безвоздушное пространство. Атмосфера давит на ртуть в чашке, ртуть в трубке тоже давит на ртуть в чашке, так как установилось равновесие, то эти давления равны. Рассчитать давление ртути в трубке означает рассчитать давление атмосферы. Если атмосферное давление повышается или понижается, то столбик ртути в трубке соответственно повышается или понижается. Так появилась единица измерения атмосферного давления – мм. рт. ст. – миллиметр ртутного столба. Наблюдая за уровнем ртути в трубке, Торричелли заметил, что уровень меняется, значит, он не является постоянным и зависит от изменения погоды. Если давление повышается, погода будет хорошей: холодной – зимой, жаркой – летом. Если давление резко понижается, значит, ожидается появление облачности и насыщение влагой воздуха. Трубка Торричелли с приставленной линейкой представляет собой первый прибор для измерения атмосферного давления – ртутный барометр. (Приложение 1)

Создавали барометры и другие ученые: Роберт Гук, Роберт Бойль, Эмиль Марриот. Водяные барометры сконструировал французский ученый Блез Паскаль и немецкий бургомистр города Магдебурга Отто фон Герике. Высота такого барометра составляла более 10 метров.

Для измерения давления пользуются различными единицами: мм ртутного столба, физическими атмосферами, в системе СИ – Паскалями.

Связь между погодой и атмосферным давлением

«Капитан Гуль, хороший метеоролог, научил его понимать показания барометра. Мы вкратце расскажем, как надо пользоваться этим замечательным прибором.

Когда после долгого периода хорошей погоды барометр начинает резко и непрерывно падать это верный признак дождя. Однако если хорошая погода стояла очень долго, то ртутный столбик может опускаться два-три дня, и лишь после этого произойдут в атмосфере сколько-нибудь заметные изменения. В таких случаях чем больше времени прошло между началом падения ртутного столба и началом дождей, тем дольше будет стоять дождливая погода.
Напротив, если во время долгого периода дождей барометр начнет медленно, но непрерывно подниматься, можно с уверенностью предсказать наступление хорошей погоды. И хорошая погода удержится тем дольше, чем больше времени прошло между началом подъема ртутного столба и первым ясным днем.
В обоих случаях изменение погоды, происшедшее сразу после подъема или падения ртутного столба, удерживается весьма непродолжительное время.
Если барометр медленно, но беспрерывно поднимается в течение двух-трех дней и дольше, это предвещает хорошую погоду, хотя бы все эти дни и лил, не переставая, дождь, и vice versa. Но если барометр медленно поднимается в дождливые дни, а с наступлением хорошей погоды тотчас же начинает падать, хорошая погода удержится очень недолго, и vice versa
Весной и осенью резкое падение барометра предвещает ветреную погоду. Летом, в сильную жару, оно предсказывает грозу. Зимой, особенно после продолжительных морозов, быстрое падение ртутного столба говорит о предстоящей перемене направления ветра, сопровождающейся оттепелью и дождем. Напротив, повышение ртутного стол ба во время продолжительных морозов предвещает снегопад.
Частые колебания уровня ртутного столба, то поднимающегося, то падающего, ни в коем случае не следует рассматривать как признак приближения длительного; периода сухой либо дождливой погоды. Только постепенное и медленное падение или повышение ртутного столба предвещает наступление долгого периода устойчивой погоды.
Когда в конце осени, после долгого периода ветров и дождей, барометр начинает подниматься, это предвещает северный ветер в наступление морозов.

Я провел наблюдения за изменением погоды и атмосферным давлением. И убедился, что существует эта зависимость.

История открытия атмосферного давления тесно связана с объяснением действия насосов.

Галилео Галилей, к которому обратись за помощью, предложил разобраться с этой проблемой своему ученику – Эванджелиста Торричелли. После серии опытов Торричелли пришел к выводу: вес водяного столба в трубе насоса поддерживается давлением воздуха, действующего на свободную поверхность воды в резервуаре.

Поскольку речь шла о столбе жидкости, возникла замечательная идея: плотность ртути в 13,6 раз больше плотности воды, следовательно, ртутный столб таким же весом будет в 13,6 раз короче и можно перейти от громоздких опытов на стройплощадке к лабораторным исследованиям.

Заметим, что такое неосторожное обращение с опаснейшим веществом вызывает сегодня недоумение. Однако техника безопасности при работе с ртутью была в те времена не на высоте. Вероятно, именно из-за этих опытов Торричелли прожил всего 39 лет.

На основании полученных результатов Торричелли пришел к следующему выводу:
Давление столба ртути уравновешивает атмосферное давление на поверхность ртути в чашке: $p_\text=p_\text$. Поэтому, измеряя высоту ртутного столба, мы узнаем атмосферное давление.

Идеи о том, что планету окружает атмосфера, воздух имеет вес и оказывает давление на поверхность Земли, были достаточно смелыми, и понадобилось некоторое время, чтобы их приняли современники.

п.2. Эксперименты Отто фон Герике

В 1654 году Отто фон Герике провел в Магдебурге масштабный эксперимент для демонстрации силы давления воздуха и изобретенного им воздушного насоса.

Вот как сам Герике описывал этот опыт:

«Я заказал два медных полушария диаметром в три четверти магдебургского локтя. К одному полушарию приделали кран, через который можно было выкачивать воздух с помощью воздушного насоса. К полушариям прикрепили кольца и продели в них канаты, привязанные к упряжи лошадей. Я велел соединить полушария, чтобы образовался шар, и вложить между полушариями кожаное кольцо, пропитанное смесью воска со скипидаром, - оно не пропускало воздух внутрь полушарий.

В 1657 году Герике построил водяной барометр, с помощью которого в 1660 году предсказал надвигающуюся бурю за 2 часа до её появления. В 1663 году изобрел электростатический генератор, изучал свойства электричества, описал отталкивание одноименно заряженных предметов. Будучи сторонником гелиоцентрической системы, занимался также астрономией.

Герике был выдающимся ученым, инженером, мыслителем и общественным деятелем своей эпохи. Как ученый, он особо подчеркивал важность эксперимента для формирования научного знания.

п.3. Как взвесить воздух в школьной лаборатории?

Опыты Торричелли и Герике являются доказательством того, что воздух имеет вес.

В школьной лаборатории, используя несложное оборудование, можно также взвесить воздух. Для этого понадобятся:

1) прочная стеклянная колба; 2) пробка с трубкой и зажимом; 3) насос; 4) весы

Закроем колбу пробкой, уравновесим её на весах гирями

Насосом откачаем воздух из колбы

Вновь взвесим колбу.
Равновесие нарушилось.

Вывод: Отклонение стрелки весов равно массе откачанного воздуха.

п.4. Измерение атмосферного давления с помощью барометров

Еще в XVII веке, измеряя атмосферное давление по высоте ртутного или водного столба, исследователи заметили, что оно не остается постоянным: перед хорошей погодой давление растет, а перед ненастьем – падает. Значит, по изменению атмосферного давления можно достаточно уверенно предсказывать погоду. В эпоху освоения новых океанов и континентов такое умение было бесценным для моряков и путешественников.

Так появились барометры – приборы для измерения атмосферного давления.

Жидкостные барометры

Самые простые барометры – жидкостные, в которых давление измеряется высотой столба жидкости: $$ p_\text=\rho gh $$ Ртутный барометр с трубкой длиной 1 м и миллиметровой шкалой был предложен Торричелли. Носить такой прибор с собой затруднительно из-за его размеров, к тому же ртуть ядовита, а вероятность вытекания высока.
Водные барометры в различных городах строили Герике, Паскаль и многие другие ученые; основным элементом этих приборов была труба длиной 11-12 м. Это были капитальные сооружения, пользоваться которыми можно было только на месте постройки.

Барометры-анероиды

Электронные барометры

п.5. Атмосферное давление на различных высотах

Воздух имеет массу, следовательно, он имеет вес и оказывает давление на поверхность под ним. Плотность воздуха очень сильно зависит от его температуры и влажности, а также от высоты над уровнем моря.

Как известно, расстояние между молекулами газа в несколько раз больше размера молекул, поэтому газы хорошо сжимаются (см. §16 данного справочника). В результате слои атмосферы у поверхности Земли, сжатые всеми слоями, расположенными выше, имеют большую плотность. Чем больше плотность газа, тем чаще молекулы сталкиваются между собой и различными поверхностями, т.е. тем большее давление газ создаёт.
Получается, что давление атмосферы наибольшее у поверхности Земли и постепенно уменьшается с высотой.

Атмосферное давление на различных высотах над уровнем моря

У поверхности Земли на уровне моря плотность сухого воздуха при 15°С равна 1,2250 кг/м 3 .

Масса одного кубометра такого воздуха $m=1,2250\ \text$, а его вес $P=mg\approx 12\ \text$.

Давление столба воздуха высотой 1 м: $p\approx 12\ \text$.

Давление столба воздуха высотой 1 км без учета изменения плотности: $p_1\approx 12\ \text$.

Давление столба воздуха всей атмосферы, измеренное на поверхности Земли: $$ p_\text=101,3\ \text $$

Можем оценить высоту этого столба, не учитывая изменение давления с высотой $$ h=\frac>=\frac\approx 8400\ (\text)=8,4\ (\text) $$

Если мы поднимемся на 1 км вверх, давление уменьшится на $$ p_1\approx 12\ \text\approx 90\ \text $$

Эта величина неточная, но она может использоваться для быстрой оценки уменьшения давления с ростом высоты.

С другой стороны, зная более точную зависимость давления от высоты, можно построить прибор, который будет измерять давление, а показывать высоту. Такие приборы называют высотомерами (альтиметрами). Их используют в авиации, космонавтике и для высокогорных экспедиций.

п.6. Задачи

Задача 1. Скольким паскалям равно атмосферное давление в 730 мм рт.ст.? Выразите это давление в гектопаскалях. Какую погоду можно прогнозировать при таком давлении: ясную или пасмурную?

\begin p=\rho gh,\\[7pt] p=13600\cdot 9,8\cdot 0,73=97294,4\ (\text)\approx\ (\text) \end Это – пониженное давление. Можно прогнозировать пасмурную погоду.
Ответ: 973 гПа; прогноз – пасмурная погода

Задача 2. В эксперименте Отто фон Герике использовались медные полушария диаметром 35 см. Определите, сколько лошадей могут разорвать эти полушария, если один конец закрепить неподвижно на стене, а лошади будут тянуть другой конец с силой тяги $800\ \text$ каждая. Площадь поверхности шара радиусом $R$ рассчитывается по формуле $S=4\pi R^2$. Давление атмосферы примите равным 760 мм рт.ст. Давление внутри шаров примите равным двум третям атмосферного (удавалось выкачать треть воздуха).
Сколько лошадей понадобится, если лошади будут тянуть с обеих сторон?

Площадь поверхности шара через диаметр $$ S=4\pi R^2=4\pi\cdot\left(\frac D2\right)^2=\pi D^2 $$ Сила давления на шар, составленный из полушарий $$ F=(p-p_\text)S=\left(p-\frac 23 p\right)S=\frac 13p\cdot \pi D^2 $$ Если один конец закреплен, то понадобится $N=\frac$ лошадей $$ N=\frac $$ Получаем $$ N=\frac\approx 16 $$ Если лошади будут тянуть в оба конца, то их понадобится в 2 раза больше $$ N'=2N=32 $$ Таким образом, используя по 8 лошадей с каждой стороны, даже при несовершенных насосах и изоляции швов в XVII веке, Герике ничем не рисковал.
Ответ: 16; 32

Задача 3. Определите глубину шахты, если на ее дне барометр показывает давление 109 кПа, а на поверхности Земли – 104 кПа. Примите плотность воздуха равной 1,3 кг/м 3 , g≈10 м/с 2 .

Давление на дне равно сумме давления на поверхности и давления столба воздуха $$ p=p_0+\rho gh $$ Высота столба воздуха \begin h=\frac \end Получаем: $$ h=\frac\approx 385\ (\text) $$ Ответ: 385 м

Задача 4. Какова высота небоскреба, если у его входа барометр показывает 760 мм рт.ст., а на крыше – 740 мм рт.ст. Примите плотность воздуха равной 1,29 кг/м 3 .

Давление на входе $$ p_1=\rho_\textgh_1, $$ давление на крыше $$ p_2=\rho_\textgh_2. $$ Давление на входе равно сумме давления на крыше и давления столба воздуха высотой $H$. $$ p_1=p_2+\rho gH $$ Высота небоскреба \begin H=\frac=\frac<\rho_\textgh_1-\rho_\textgh_2>\\[7pt] H=\frac<\rho_\text>(h_1-h_2) \end Получаем $$ H=\frac(0,76-0,74)\approx 211\ (\text) $$ Ответ: 211 м

Задача 5*. В трубке, запаянной с верхнего конца, удерживается столбик ртути высотой 20 см. Атмосферное давление – 760 мм рт.ст. Каково давление воздуха в верхней части трубки? Выразите ответ в мм рт.ст. и гектопаскалях.
Примите g=9,8 м/c 2

Если бы в верхней части не было воздуха, то высота столбика ртути определялась бы атмосферным давлением и равнялась бы 760 мм = 76 см.
В данном случае давление атмосферы уравновешивается суммой давления столбика ртути и давления воздуха вверху $$ p_\text=\rho gh+p $$ Давление воздуха вверху $$ p=p_\text-\rho gh=\rho gh_0-\rho gh=\rho g(h_0-h) $$ В миллиметрах ртутного столба $$ p=h_0-h=760-200=560\ \text $$ В гектопаскалях $$ p=13600\cdot 9,8\cdot 0,56=74636,8\ (\text)\approx 746\ (\text) $$ Ответ: 560 мм рт.ст.; 746 гПа

Атмосферное давление является силой , которая производит давление воздуха на поверхность земного шара и все ее предметы , находящиеся на ней . Анализ динамики атмосферного действия , или же барометрического давления , позволяет человеку определить прогноз погоды , а также распланировать какие - либо мероприятия , проходящие на открытом воздухе . Однако для того , чтобы точно измерить погоду , помимо атмосферного воздействия, учитывается и ряд других метеорологических факторов .

Как влияет состав атмосферы на давление?
Измерение атмосферного давления
Норма атмосферного давления
Повышение и понижение давления
Влияние на человека. Антициклон
Циклон
Атмосферное давление в горах

Как влияет состав атмосферы на давление?

Атмосфера Земли содержит в своем составе различные газы , основные из которых - кислород и азот . От Земли она поднимается на высоту до 9000 км . Таким образом, атмосфера является защитником планеты . Кислород и азот дают жизнь всему живому на Земле . Давление атмосферы сильно действует на нашу планету . Специалисты утверждают, что на человека приходится давления в 16 тонн. Однако из - за того , что внутри человека давление является уравновешенным с атмосферным , он не ощущает таких глобальных перемен .

Измерение атмосферного давления

Согласно общепринятым нормам, за единицу для измерения давления принято брать миллиметры ртутного столба. Сокращенно - мм. рт. ст. Для определения используют прибор, называемый барометр. Барометры подразделяются на ртутные и безжидкостные. Вторые - носят название барометры-анероиды. Барометр представлен стеклянной трубкой, которая запаяна с одной стороны. Внутрь данной трубки помещается ртуть. Во время эксперимента открытый конец трубки опускают в сосуд, не полностью заполненный ртутью. По мере того, как происходит рост или упадок давления, ртуть в трубке начинает расти, и наоборот. Официальная единица для измерения - Паскаль.

Важно! Килопаскаль или КПа является единицей измерения давления механического напряжения в системе СИ. Мегапаскаль или МПа является метрической единицей измерения. Если перевести данные единицы, то получим, что 1 МПа равен 1000 КПа.

Норма атмосферного давления

Атмосферное воздействие считается нормальным тогда, когда давление воздуха находится на уровне моря на широте 45 °. Температурный показатель составляет 0 градусов по Цельсию. В 1644 году благодаря Эванджелисту Торренчели и Винченцо Вивиани была получена величина в 760 мм. Стоит подметить, что эти открыватели были учениками у самого Галилео Галилея. Человек наиболее комфортно себя ощущает при стандартных значениях 750-760 мм. рт. ст. Однако данные показания не могут быть абсолютно точными для всех регионов в течение полного года.

Повышение и понижение давления

Атмосферное воздействие повышается тогда, когда давление воздуха превышает норму 760 мм. рт. ст. Если наоборот, то снижается. В течение 24 часов утром и вечером величина давление значительно растет. Низкое воздействие атмосферы наблюдается после полудня и после полуночи. Данные изменения обусловлены тем, что происходит перепад температуры и перемещение воздуха. На Земле известны 3 пояса, где преобладает низкое атмосферное давление, и 4 пояса с высоким. Из-за того, что жар от Солнца и вращение Земли происходит неравномерно, на земном шаре образуются пояса атмосферного давления. В течение года Солнце нагревает полушария Земли не одинаково. Нагрев изменяется в зависимости от того, какое время года в тот или иной период.

Важно! Специалисты выявили упадок атмосферного воздействия в Москве, которое составляет 727 мм. рт. ст. В 2015 году в Москве было аномальное давление, равное 778 мм. рт. ст. Плюс Москва расположена на границе обширного циклона, центральная область которого находится над Латвией.

Влияние на человека. Антициклон

Антициклоном называют рост барометрического воздействия. В такие периоды на улице не наблюдается существенного ветра, преобладает солнечная погода, температура не характеризуется резкими изменениями. Уровень влажности остается в норме. Антициклон плохо влияет на состояние здоровья человека. Смена давления оказывает неблагоприятное влияние, в особенности на людей, имеющих аллергию, астматиков и тех, у кого повышенное артериальное давление. У человека во время антициклона болит голова, а также его мучают сердечные боли. Считается, что в такие периоды падает работоспособность, появляется недомогание. В зависимости от высоты антициклона, наблюдается эффективная или неэффективная защита организма от заболеваний.

Важно! Для того чтобы легче переносить антициклон, специалисты рекомендуют переменно обливаться горячей и холодной водой в душе, больше употреблять фрукты, в которых имеется калий, делать легкую гимнастику. Для улучшения работы иммунной и нервной системы необходимо на определенное время забыть о серьезных делах, способных пошатнуть здоровье. В такие дни человек, страдающий от негативных симптомов, должен больше времени уделять отдыху для восстановления сил.

Циклон

Циклоном называют период, когда атмосферное воздействие снижается. Температура в период циклона повышается, становится облачно, увеличивается влажность и уровень осадков, равно как и при антициклоне. Во время циклона некоторые группы людей не могут спокойно переносить изменение погоды и давления. Циклон плохо переносят люди, у которых имеются проблемы с дыхательными функциями, низкое артериальное давление, а также те, у кого проблемы с сердечно-сосудистой системой. При циклоне снижается количество кислорода, в результате чего становится тяжело дышать, появляется одышка. Пациенты жалуются на слабость. Наблюдается повышение мозгового кровообращения, вследствие чего человека мучает мигрень. Сколько бы ни было симптомов, специалисты советуют обильно пить воду, принимать контрастный душ. Также необходимо, чтобы человек хорошо высыпался. С утра не помешает любимая чашечка кофе. Несмотря на то, какое известно текущее давление - пониженное или повышенное, необходимо пить настойку из лимонника и женьшеня.

Ртутный барометр был изобретён итальянским учёным Эванджелистой Торричелли в $1644$ году. В ртутном барометре запаянная сверху стеклянная трубка с ртутью опускается открытым концом в чашу с ртутью. Изменение атмосферного давления заставляет ртутный столб подниматься и опускаться.

Основной частью барометра-анероида является металлическая коробочка, лишённая воздуха и очень чувствительная к изменениям атмосферного давления. При уменьшении давления коробочка расширяется, при увеличении — сжимается. Изменения коробочки передаются стрелке, которая показывает на шкале атмосферное давление.

Единицей измерения давления служит высота ртутного столба, которая измеряется в миллиметрах ( мм рт. ст. ). Иногда давление измеряют в гектопаскалях (гПа).

Нормальным считается давление на параллели $45°$ на уровне моря при температуре $0$ °С, которое составляет $760$ мм рт. ст. ($1013$ гПа). Если измеренное давление меньше $760$ мм рт. ст., его считают пониженным, если больше — повышенным.

Читайте также: