С помощью чего измеряется атмосферное давление

Атмосферное давление и его измерение

п.1. Опыт Торричелли

История открытия атмосферного давления тесно связана с объяснением действия насосов.

Простейшие насосы были известны еще со времен Аристотеля, который утверждал, что вода поднимается за поршнем потому, что «природа не терпит пустоты». Однако при сооружении фонтанов во Флоренции в 1638 г. оказалось, что вода поднимается чуть выше 10 м в трубе высотой 12 м и останавливается, сколько бы её ни качали, не заполняя оставшуюся в трубе «пустоту».

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.

Для опыта понадобились: 1) стеклянная трубка длиной 1 м, запаянная с одного конца; 2) колба с ртутью; 3) широкая чашка.

Описание опыта Торричелли:
Наливаем ртуть в трубку до уровня 85-90 см. Немного ртути наливаем в чашку (высота над дном чашки 2-3 см). Зажимаем пальцем конец трубки, опускаем конец в чашку, под ртуть. Отпускаем палец.
Немного ртути вытекает из трубки в чашку. Столб оставшейся ртути равен примерно 760 мм над уровнем ртути в чашке.

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: \(p_\text<ртути>=p_\text<атм>\). 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:

Когда воздух из полушарий выкачали, давление наружного воздуха прижало их друг к другу так сильно, что 16 лошадей не могли разнять их. Но стоило поворотом крана открыть доступ воздуху внутрь полушарий – и их можно было разнять руками».

Опыт с магдебургскими полушариями стал убедительным доказательством существования, как атмосферы, так и вакуума – безвоздушной «пустоты» внутри 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.

Первый барометр-анероид («анероид» означает «безводный») был сконструирован французским инженером Люсьеном Види в 1844 г. Основная часть анероида – это цилиндрическая металлическая коробка 1 с концентрически-гофрированными (для большей подвижности центра) основаниями, внутри которой создано разрежение (сильфон). При повышении атмосферного давления коробка сжимается и тянет прикреплённую к ней пружину 2 (мембрану), а при понижении давления коробка раздувается, толкая пружину. Перемещение конца пружины через систему рычагов 3 передаётся на стрелку 4, перемещающуюся по шкале. Шкала анероида обычно проградуирована в мм рт.ст. и гектопаскалях. По сравнению с жидкостными барометрами, анероиды стали существенно меньшими по размерам, удобными и безопасными.

Результаты измерений выводятся на экран прибора в мм рт.ст. или в гектопаскалях (показания красным цветом на приборе, представленном на рисунке – 1013,9 гПа).
Как правило, электронные барометры исполняются в одном корпусе с другими измерительными приборами (времени, температуры, влажности, освещенности) для создания мини-станций слежения за погодой. Показания таких мини-станций можно получать удаленно на мобильный телефон.

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

Масса одного кубометра такого воздуха \(m=1,2250\ \text<кг>\), а его вес \(P=mg\approx 12\ \text<Н>\).

Давление столба воздуха высотой 1 м: \(p\approx 12\ \text<Па>\).

Давление столба воздуха высотой 1 км без учета изменения плотности: \(p_1\approx 12\ \text<кПа>\).

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<Па>)\approx\ (\text<гПа>) \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 \(800\ \text<Н>\) 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?

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

Источник

Измерение атмосферного давления

Давление воздуха изменяется в широких пределах. Если оно больше 760 миллиметров ртутного столба, то считается повышенным, если меньше – то пониженным.

Наблюдения за изменением атмосферного давления позволяют предсказывать погоду. Например, при повышении давления в зимний период погода становится морозной, а летом – жаркой.

Давление воздуха изменяется в широких пределах. Если оно больше 760 миллиметров ртутрного столба, то считается повышенным, если меньше – то пониженным.

Наблюдения за изменением атмосферного давления позволяют предсказывать погоду. Например, при повышении давления в зимний период погода становится морозней, а летом – жаркой. Пониженное атмосферное давление способствует появлению облачности, выпадению осадков. Поэтому постоянно знать величину атмосферного давления и контролировать его изменения необходимо не только ученым, медикам, но и всем нам.

Атмосферное давление

Атмосферное давление, как правило, изменяется в зависимости от изменений погодных условий. Зачастую давление падает перед ненастной погодой, повышается – перед хорошей. Ведение учета изменения давления позволяет определить перемещение циклонов и направление ветров.

На самочувствие человека, проживающего долгое время в определенной местности, изменение характерного давления зачастую не влияет. В случаях, когда происходят непериодические колебания атмосферного давления, даже у здоровых людей появляется головная боль, падает работоспособность и ощущается тяжесть тела.

Изменение атмосферного давления также влияет на многие технологические процессы. Например, при переработке нефтепродуктов, где давление является одним из основных контролируемых технических параметров; хлебо-булочное производство, где показания давления сильно влияют на влажность полуфабрикатов из теста; в авиационной промышленности это очень важный параметр, оказывающий влияние на сроки и условия эксплуатации.

Приборы для измерения атмосферного давления

На сегодняшний день существует несколько видов барометров, с помощью которых осуществляют измерение давления воздуха:

Ртутные барометры являются более точными и надежными по сравнению с анероидами, по ним проверяют работу других видов барометров. Высота давления в них определяется по высоте столба ртути. Метеорологические станции оборудованы чашечными барометрами.

Измерение атмосферного давления с помощью термогигрометра

Атмосферное давление измеряется не только с помощью различных видов барометров, но и такими универсальными цифровыми приборами, как термогигрометры. Несмотря на то, что основная задача данных устройств – определение относительной влажности и температуры, они прекрасно справляются и с измерением давления воздуха, показывая максимально точные величины. Поэтому такие многофункциональные приборы приобрести намного выгоднее, чем устаревшие барометры и психрометры.

АО «ЭКСИС» предлагает Вашему вниманию огромный ассортимент электронных измерителей давления и других контрольно-измерительных приборов высокого качества и всегда по доступным ценам.

В частности, в нашей копании Вы сможете приобрести следующие модели термогигрометров:

Все модели термогигрометров имеют интерфейс связи с ПК посредством USB, RS-232 и могут крепиться к стене.

Источник

Атмосферное давление

Атмосферное давление — давление атмосферы на все находящиеся в ней предметы и Земную поверхность. Атмосферное давление создаётся гравитационным притяжением воздуха к Земле. Атмосферное давление измеряется барометром. Нормальным атмосферным давлением называют давление на уровне моря при температуре 15 °C. Оно равно 760 мм рт.ст. (Международная стандартная атмосфера — МСА, 101 325 Па ).

Содержание

История

Изменчивость и влияние на погоду

Атмосферное давление уменьшается по мере увеличения высоты, поскольку оно создаётся лишь вышележащим слоем атмосферы. Зависимость давления от высоты описывается т. н. барометрической формулой.

На картах давление показывается с помощью изобар — изолиний, соединяющих точки с одинаковым приземным атмосферным давлением, обязательно приведенным к уровню моря.

Атмосферное давление — очень изменчивый метеоэлемент. Из его определения следует, что оно зависит от высоты соответствующего столба воздуха, его плотности, от ускорения силы тяжести, которая меняется от широты места и высоты над уровнем моря.

Стандартное давление

Барическая ступень

Высота, на которую надо подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1 гПа (гектопаскаль), называется барической (барометрической) ступенью. Барической ступенью удобно пользоваться при решении задач, не требующих высокой точности, например для оценки давления по известной разности высот. Из основного закона статики барическая ступень (h) равна: h=-∆z/∆p=1/gρ [м/гПа]. При температуре воздуха 0 °C и давлении 1000 гПа, барическая ступень равна 8 м/гПа. Следовательно, чтобы давление уменьшилось на 1 гПа нужно подняться на 8 метров.

С ростом температуры и увеличением высоты над уровнем моря она возрастает (в частности, на 0,4 % на каждый градус нагревания), то есть она прямо пропорциональна температуре и обратно пропорциональна давлению. Величина, обратная барической ступени, — вертикальный барический градиент, то есть изменение давления при поднятии или опускании на 100 метров. При температуре 0 °C и давлении 1000 гПа он равен 12,5 гПа.

Приведение к уровню моря

Приведение давления к уровню моря производится на всех метеостанциях, посылающих синоптические телеграммы. Чтобы давление было сравнимо на станциях, расположенных на разных высотах, на синоптические карты наносится давление, приведённое к единой эталонной отметке — уровню моря. При приведении давления к уровню моря используют сокращенную формулу Лапласа: z₂-z₁=18400(1+λt)lg(p₁/p₂). То есть, зная давление и температуру на уровне z₂ можно найти давление (p₁) на уровне моря (z₁=0).

Вычисление давления на высоте h по давлению на уровне моря P_o и температуре воздуха T:

где P_o — давление Па на уровне моря [Па]; M — молярная масса сухого воздуха 0,029 [кг/моль]; g — ускорение свободного падения 9,81 [м/с²]; R- универсальная газовая постоянная 8,31 [Дж/моль К]; T — абсолютная температура воздуха [К], T = t + 273, где t — температура в °C; h — высота [м].

Источник

Что такое атмосферное давление и чем его измеряют?

Атмосферное давление – это то давление, которое оказывает воздух атмосферы на любой предмет, находящийся в ней. Как и любое другое давление, оно измеряется в паскалях (используется сокращение Па).

Численно давление атмосферы равно отношению веса столба воздуха, находящегося на некоторой поверхностью, к площади этой поверхности. Считается что давление атмосферы у поверхности планеты примерно равно 101 325 Па, хотя эта величина и зависит от ряда факторов. Используется специальная внесистемная единица измерения давления, называемая атмосферой (1 атм):

Исторически первые опыты по определению давления проводились в XVII в., причем давление атмосферы измерялось через высоту подъема столбика ртути, вызванного давлением. Тот же принцип долгое время использовался во многих барометрах – приборах для измерения давления. Отсюда возникла ещё одна величина для измерения давление – миллиметры ртутного столба. Справедлива следующая пропорция:

760 мм рт. ст = 1 атм = 101 325 Па

Стоит отметить, что на высоте давление падает. Это связано с тем, что уменьшается высота столба воздуха, находящегося над поверхностью, а значит и его масса. Более того, так как давление на высоте меньше, то и воздух находится в более разряженном, то есть менее плотном состоянии. Это приводит к тому, что давление не просто падает с высотой, а падает очень быстро. В свою очередь это влияет на человеческий организм.

Уже на высоте 2 км у неподготовленных людей начинается высотная болезнь. Дело в том, что из-за снижения давления человек с каждым вдохом вдыхает меньше кислорода, чем у поверхности, и у него может начаться кислородное голодание. До определенной степени можно натренировать организм и справляться с нехваткой кислорода, профессиональные спортсмены даже специально тренируются в горах, чтобы развивать выносливость при стайерском беге. Самые высокогорные постоянные поселения людей располагаются на высоте около 5100 метров, где давление вдвое меньше, чем на нулевой высоте.

Однако ещё выше дышать невероятно тяжело. На вершине Эвереста (высота 8848 м) давление в 4 раза ниже, чем на уровне моря. Даже несколько часов, проведенные так высоко без кислородных масок, могут привести неподготовленного человека к смерти, хотя отдельным альпинистам удавалось покорять Эверест и без использования кислородного оборудования.

На высоте около 20 км давление падает до 47 мм рт. ст. При таком давлении вода закипает не при 100°С, а уже при 36,6°С, то есть прямо в человеческом организме. Поэтому все пилоты, летающие на таких высотах (да и ниже тоже), используют специальные герметические костюмы. Если человек окажется на такой высоте без защитного оборудования, то он почти мгновенно погибнет.

Список использованных источников

Источник

Атмосферное давление

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:

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:

Методы исследования

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):

II. Практическая часть:

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

В романе Жюль Верна «Пятнадцатилетний капитан» заинтересовало описание о том, как понимать показания барометра.

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

Вот общие выводы, которые можно сделать из показаний этого ценного прибора. Дик Сэнд отлично умел разбираться в предсказаниях барометра и много раз убеждался, насколько они правильны. Каждый день он советовался со своим барометром, чтобы не быть застигнутым врасплох переменой погоды.»

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

Дата

Температура, °С

Осадки,

Атмосферное давление, мм рт.ст.

Источник