V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование атмосферного давления

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Бечикова  С.А. 1

---

1Филиал МАОУ Тоболовская СОШ-Карасульская СОШ

Романова  В.Б. 1

---

1Филиал МАОУ Тоболовская СОШ-Карасульская СОШ

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Удивительная планета наша Земля! Над нами, над го­рами, над лесами, над ши­рокими морями, - над всей Землёй лежит огромный воздушный океан – невидимая многокилометровая толща. Мы живём на дне воздушного океана. Но никто этого не замечает. В результате этого земная поверхность и тела, находящиеся на ней, испытывают давление всей толщи воздуха, или, как обычно говорят, испыты­вают атмосферное давление.Объясняя это явление, мы приоткрываем тайну удивительного и важного физического явления.

Цель: обосноватьс помощью эксперимента причины, создающие атмосферное давление и измерить силу атмосферного давления.

Задачи:

1. Проанализировать информацию из литературных источников по исследуемому вопросу.

2. Провести эксперименты, доказывающие существование атмосферного давления и силу атмосферного давления.

3.Исследовать, от каких параметров зависит атмосферное давление;

4. Исследовать, как влияет изменение атмосферного давления на человека.

Объект исследования: атмосфера

Предметисследования: атмосферное давление.

Методыисследования:

Теоретические- моделирование

Эмпирические - наблюдение, сравнение, эксперимент, измерение

Математические - статистические; метод визуализации данных.

Продукт: научно-исследовательская работа; презентация, самодельный прибор - барометр.

Практическая значимость исследования: материалы данного исследования можно использовать на уроках физики, биологии, географии, на классных часах, на внеклассных мероприятиях, при подготовке к ЕГЭ.

Глава1. Теория

«Мы живем на дне

сказочно красивого океана.

Он велик и безбрежен».

Эванджелиста Торричелли

Атмосфера.

Воздух окружает Землю шаровым слоем – это огромный воздушный океан, на дне которого мы живём. Воздушную оболочку, окружающую Землю, на­зывают атмосферой (от греч. атмос— пар, воздух и сфера— шар), она простирается на высоту нескольких тысяч километров. Атмосфера Земли представляет собой смесь различных газов. Она простирается от поверхности Земли на высоту до 900 км. Масса атмосферы огромна: более миллиарда тонн. По подсчетам Паскаля атмосфера Земли весит столько же, сколько весил бы медный шар диаметром 10км – пять квадриллионов (5000000000000000) тонн! В состав атмосферы входят различные газы, но в основном в ней находятся азот (78%) и кислород (21%). Вода в атмосфере существует в виде пара, капель влаги в облаках и кристалликов льда. Атмосфера условно разделена на слои, каждый из этих слоев оказывает давление на Землю. (Приложение №1).

Атмосферное давление.

Вследствие действия силы тяжести верхние слои воздуха, подобно воде океана, сжимают ниж­ние слои. В результате этого земная поверхность и тела, находящиеся на ней, испытывают давление всей толщи воздуха, или, как обычно говорят, испыты­вают атмосферное давление.Воздушный слой, прилегающий непо­средственно к Земле, сжат больше всего и, согласно закону Паскаля, передает производимое на него давление по всем направлениям. В результате атмосфера своим весом давит на все тела, находящиеся на Земле. Мы тоже находимся на Земле, значит, атмосфера давит на нас, причём давит со всех сторон. Ученым опытным путем удалось установить, что на каждый квадратный сантиметр человеческого тела воздействует атмосферное давление весом 1,033 килограмма, то есть, действует сила 10Н. На среднего по размерам человека атмосфера давит с силой 150кН! Такое давление способно раздавить все живое. Почему же мы его не ощущаем? Объясняется это тем, что давление внутри нашего организма равно атмосферному. Таким образом, внутреннее и внешнее давление уравновешиваются.

Измерение атмосферного давления.

Чтобы наглядно продемонстрировать силу атмосферного давления, в 1654 году магдебургский бургомистр и физик Отто фон Герике показал на рейхстаге в Регенсбурге один опыт, который теперь во всём мире называют опытом с магдебургскими полушариями. Когда полушария сложили вместе, между ними поместили кожаное кольцо, не оставившее между полушариями даже малейшей щели. Затем с помощью насоса откачали воздух из пространства между полушариями. Какая же сила сжимала полушария, противодействуя силе шестнадцати коней? Этой силой было действие атмосферного воздуха.

Дальнейший шаг в развитии представления о давлении сделал Эванджелиста Торричелли. Он провел опыт, который состоял в следующем: стеклянную трубку около 1м, запаянную с одного конца, наполняют ртутью. Затем, плотно закрыв другой конец трубки, её перевёртывают, опускают в чашку с ртутью и под ртутью открывают конец трубки. Часть ртути при этом выливается в чашку, а часть её остаётся в трубке. Высота столба ртути, оставшейся в трубке, равна примерно760 мм. Над ртутью в трубке воздуха нет, там безвоздушное пространство. Если прикрепить к трубке с ртутью, вертикальную шкалу, то получится простейший прибор для измерения атмосферного давления — ртутный барометр). В практике для измерения атмосферного давления используют металлические барометры - анероиды (в переводе с греческого - безжидкостные). Единица измерения давления в СИ в ПА. (Приложение №2)

В настоящее время часто используют метеостанции – это устройства, одновременно измеряющие атмосферное давление, температуру и влажность воздуха.

Атмосферное давление и человек

Так как люди рождаются и живут в самых разных уголках планеты и на самых разных высотах, то говорить о том, что существует идеальное атмосферное давление, невозможно. Норма атмосферного давления для человека — 750 -760 миллиметров ртутного столба. Это давление воздуха на уровне моря при температуре 0°С на широте 45°.Такой разброс вполне допустим, поскольку рельеф планеты не идеально ровный. Человеческий организм приспособлен к существованию именно под таким давлением, поэтому стоит ему погрузиться в воду или подняться на вершину горы, как он почувствует недомогание. Как правило, колебания давления атмосферы сопровождаются изменениями погодных условий, из-за чего метеозависимые люди плохо себя чувствуют перед осадками, бурями, грозами, поскольку не успевают компенсироваться внутренним давлением. Именно поэтому значение атмосферного давления для человека весьма существенно. Атмосферное давление – главный фактор метеочувствительности! (Приложение №3)

Глава 2. Практика

Скажи мне, и я забуду.

Покажи мне, и я запомню.

Дай мне действовать самому,

и я научусь.

Конфуций

Мы провели ряд экспериментов, наглядно демонстрирующих существование атмосферы и атмосферного давления, соблюдая технику безопасности.

Правила по технике безопасности:

Работать надо очень аккуратно, не ставить оборудование на край стола.

Производить опыты нужно медленно, осторожно, спокойно.

Осторожно с горячей водой, иначе можно получить ожог.

2.1. Эксперименты, доказывающие существование атмосферы и атмосферного давления.

Эксперимент№1 Воздух занимает определенное место.

Цель: Продемонстрировать на опыте, что воздух занимает определенное место.

Оборудование:стакан, стеклянная воронка, широкая емкость с водой.

План исследования:

Держа стакан вверх дном, погружаем его на дно емкости с водой, придерживая рукой. При этом замечаем, что вода внутрь стакана почти не проникает: воздух не допускает ее.

То же самое проделаем и со стеклянной воронкой: повернув ее широким концом вниз, плотно закроем пальцем ее отверстие и погрузим в воду. Вода под воронку не проникает; но если отнять палец от отверстия и тем дать воздуху выход, то вода быстро поднимется в воронке до уровня окружающей воды.

Вывод: Вода не входит в воронку, ее не пускает воздух.Воздух занимает определенное место и не уступает его другим вещам, если ему некуда податься. Люди могут находиться и работать под водой в водолазном колоколе или внутри тех широких труб, которые называются «кессоны». Вода не проникает внутрь водолазного колокола или кессона по той же причине, по какой не втекает она под стакан в нашем опыте.

Эксперимент №2.Измерение веса воздуха в шарике.

Цель:измерить вес воздуха в воздушном шарике.

Оборудование:воздушный шарик, весы рычажные.

Ход исследования:

Положим пустой шарик на чашку весом и измерим его массу.

Надуем шарик, затем положим его на чашку весом и вновь измерим его массу.

По формуле рассчитаем вес воздуха в надутом шарике.

Вывод:надутый шарик тяжелее, значит, воздух имеет вес. P = 0.000392Н.

Эксперимент №3.Измерение веса воздуха, находящегося в кабинете физики.

Цель:измерить вес воздуха в кабинете физике.

Оборудование:метр, таблица плотностей газов.

Ход исследования:

С помощью метровой линейки измерить длину, ширину и высоту кабинета.

Вычислить объем кабинета по формуле.

По таблице плотностей посмотреть плотность воздуха.

По формуле вычислить массу воздуха в кабинете.

По формуле рассчитать вес воздуха в кабинете.

Вывод: Вес воздуха в кабинете Р = 1859.76 Н, его масса m =189,7 кг.

Эксперимент №4 Опыт Отто фон Герике, но только со стаканами. «Магдебургские тарелки».

Цель: показать с помощью эксперимента силу атмосферного давления.

Оборудование: два стакана, огарок свечи, немного газетной бумаги, ножницы.

Ход исследования:

Поставим зажженный огарок свечи в один из стаканов.

Вырежем из нескольких слоёв газетной бумаги, положенных один на другой, круг диаметром немного больше, чем внешний край стакана. Затем вырежем середину круга таким образом, чтобы большая часть отверстия стакана осталась открытой.

Смочив бумагу водой, мы получим эластичную прокладку, которую положим на верхний край первого стакана и осторожно поставим на эту прокладку перевёрнутый второй стакан, прижав его к бумаге так, чтобы внутреннее пространство обоих стаканов оказалось изолированным от внешнего воздуха. Свеча вскоре потухнет.

Взявшись рукой за верхний стакан, поднимем его. Нижний стакан как бы прилип к верхнему стакану и поднялся вместе с ним.

Вывод: Огонь нагрел воздух, содержащийся в нижнем стакане, а нагретый воздух расширяется и становится легче, поэтому часть его вышла из стакана. Когда мы медленно приближали к первому стакану второй, часть содержавшегося в нём воздуха также успела нагреться и вышла наружу. Когда оба стакана были плотно придавлены один к другому, в них уже было меньше воздуха, чем до начала опыта. Свеча потухла, как только был израсходован весь содержащийся в стаканах кислород. После того как оставшиеся внутри стакана газы остыли, там возникло разряжённое пространство, а воздушное давление снаружи осталось неизменным, поэтому оно плотно придавило стаканы один к другому, и когда мы подняли верхний из них, то и нижний поднялся вместе с ним.

Эксперимент №5 Демонстрация атмосферного давления

Цель:показать с помощью эксперимента существование атмосферного давления.

Оборудование:стакан, стакан с водой, лист бумаги.

Ход исследования:

Наполним обыкновенный стакан водой.

Накроем стакан листком бумаги и, плотно прикрыв его рукой, перевернём бумагой вниз.

Осторожно уберем руку, держа стакан за дно. Вода не выливается.

Вывод: Воду удерживает давление воздуха. Давление воздуха распространяется во все стороны одинаково (по закону Паскаля), значит, и вверх тоже. Бумага служит только для того, чтобы поверхность воды оставалась совершенно ровной.

Эксперимент №6 Доказательство закона Паскаля

Цель:доказать с помощью эксперимента, что давление предаётся в любую точку жидкости или газа без изменения.

Оборудование: пластиковая бутылка с отверстиями, вода.

Ход исследования:

Возьмем пластиковую бутылку и сделаем в ней несколько отверстий

Нальем в бутылку воды и закроем пробкой. Вода из бутылки не выливается.

Уберем пробку. Вода выливается изо всех отверстий.

Вывод:После того, как я открутила крышку, вода стала равномерно выливаться изо всех отверстий. Атмосфера выдавливает воду из бутылки. Если пробку закрутить, то на воду действует только давление воздуха в бутылке, а его давление мало и вода не выливается.

На жидкости, как и на все тела на Земле, действует сила тяжести. Поэтому каждый слой жидкости своим весом создаёт давление на другие слои, которое, по закону Паскаля, передаётся по всем направлениям.

Эксперимент №7 Демонстрация силы атмосферного давления

Цель:на опыте показать проявления силы атмосферного давления

Оборудование:горячая вода, пластиковая бутылка.

Ход исследования:

1.Сто - двести граммов не очень горячей воды наливаем в бутылку и несколько раз интенсивно встряхиваем, прогревая тем самым находящийся в бутылке воздух.

2 Затем воду выливаем, а бутылку сразу же плотно закрываем крышкой и наблюдаем, как бутылка с хрустом деформируется (сжимается).

Вывод: В момент закупоривания бутылки давление воздуха в ней было одинаково с наружным атмосферным давлением. Со временем воздух в бутылке остывает и давление внутри нее падает. Возникшая разница давлений по обе стороны стенок бутылки приводит к ее сдавливанию, сопровождающемуся характерным хрустом.

2.2 Измерение силы атмосферного давления.

Эксперимент №8 Измерение силы атмосферного давления на тетрадь

Цель:определить силу атмосферного давления на тетрадь.

Оборудование:ученическая линейка, барометр-анероид

Ход исследования:

1.Определить по барометру атмосферное давление (Па).

2.Измерить длину и ширину тетради.

3.Вычислить площадь поверхности по формуле.

4. Вычислить силу давления на тетрадь по формуле.

Вывод: Воздух давит на тетрадь с силой F = 3489,99 Н.

Эксперимент №9 Измерение силы атмосферного давления на тело человека.

Цель:определить силу атмосферного давления на тело человек, на примере собственного тела и объекта 2.

Оборудование: ростомер, барометр, напольные весы.

Ход исследования:

1.Определить по барометру атмосферное давление (Па).

2.Измерить рост человека по ростомеру h(м)

3. Измерить массу человека с помощью напольных весов m (кг).

4.Вычислить площадь поверхности тела по эмпирической формулеМостеллера (определяющая площадь поверхности человека, зная рост и массу), которая применяется в медицине:

S_ППТ (м²) =√ масса тела (кг) х рост (см) / 3600

4.Определить силу атмосферного давления на тело по формуле: F= рS.

Результаты исследования приведены в таблице

Вывод: атмосферное давление действует на поверхность моего тела с силой 139591.76 Н, что соответствует весу тела массой 13,7 тонн, а на объект 2 с силой 193991.49, что соответствует весу тела массой 19, 3 тонны.

- Как человеку удается справляться со столь огромной нагрузкой? Атмосферное давление не может нас сплюснуть в лепешку потому, что действует и изнутри нас, даже изнутри клеток. Внешнее давление наружного воздуха уравновешивается давлением жидкостей и газов, находящихся внутри нашего организма! Силы уравновешиваются, и мы не чувствуем никакого дискомфорта. Однако это правило работает только на земной поверхности.

2.3. Научно-практические эксперименты

Для лучшего познания природного явления мы проводили натуральные эксперименты.

Эксперимент№10.Зависимость атмосферного давления от высоты

Цель:показать на примере, что атмосферное давление зависит от высоты

Оборудование: барометр, многоэтажное здание.

План исследования:

1.С помощью барометра-анероида измеряем атмосферное давление на первом и последнем этажах зданий: 10-этажный дом.

На 1 этаже давление р=764 мм.рт.ст = 101841,2 Па

На 10 этаже давление р₁ = 766,5 мм.рт.ст =101944, 5Па

2.Определим по полученным данным высоту дома: зная, что при подьеме на 12 м давление уменьшается на 1 мм.рт.ст. Значит, высота дома h= 30 м.

На этом работает прибор ВЫСОТОМЕТР (определение высоты).

Вывод: Атмосферное давление с высотой уменьшается: при подъеме в высоту на каждые 12 м давление уменьшается на 1 мм.рт.ст.

Эксперимент №11. Зависимость атмосферного давления от температуры

Цель:показать на примере, что атмосферное давление зависит от температуры.

Оборудование: барометр, термометр.

План исследования:

1.В течение месяца (утром) определяем температуру воздуха и атмосферное давление по приборам.

2. Данные заносим в таблицу. Анализируя таблицу, делаем вывод.

Вывод: С изменением температуры воздуха непрерывно меняется и давление. При повышении температуры уменьшается атмосферное давление. При понижении температуры атмосферное давление увеличивается. (Приложение №3).

Эксперимент№12. Зависимость артериального давления человека от атмосферного давления.

Мы знаем, что внешнее атмосферное давление компенсируется внутренним давлением человека. Артериальное давление зависит от многих факторов: времени суток, психологического состояния человека (при стрессе давление повышается), приёма различных стимулирующих веществ (кофе, чай, амфетамины) или медикаментов, которые повышают или понижают давление. Мы выбрали 4 объекта (от 13 лет до 65 лет) и в течение месяца наблюдали за ними.

Цель: показать на примере взаимосвязь артериального давления человека и атмосферного давления.

Приборы: Барометр-анероид, тонометр «OMRON M1» – прибор, с помощью которого измеряют атмосферное давление.

Порядок эксперимента: ежедневно (утром) по показаниям приборов отслеживаем атмосферное давление в мм рт. ст., измеряем артериальное давление объектов. Полученные результаты заносили в таблицу. В заключение, анализируя результаты, оцениваем влияние атмосферного давления на самочувствие человека.

Вывод: артериальное давление человека и атмосферное давление взаимосвязаны. Мы наблюдали за объектами, которые метеозависимы (объект №2, №3 и №4) и принимают медицинские препараты и даже при этом, артериальное давление у них «скачет». Объект №1 никакие медицинские препараты не принимает. Артериальное давление у этого объекта изменяется от 116/74 до 128/85.

2.4. Классная физика – занимательные опыты

Опыт1. Сухая монетка.

-Как взять монету голой рукой, не замочив при этом пальцев и не выливая воду из тарелки?

Оборудование: тарелка, стакан, огарок свечи.

План исследования: Положим монету на большую плоскую тарелку. Нальем столько воды, чтобы она покрыла все монеты. Зажжем свечу и быстро накроем ее стаканом, не захватив при этом монетки. Когда свеча погаснет, стакан наполнится белым дымом, а за тем под ним сама собой соберется вся вода из тарелки. Монеты останутся на месте, и их можно взять рукой, не намочив при этом пальцев. Объяснение: Свеча потухла, как только был израсходован весь содержащийся в стакане кислород. Под стаканом возникло разряжённое пространство, а воздушное давление снаружи осталось неизменным. Стакан, словно медицинская банка, собрал всю воду. Сила, вогнавшая воду под стакан и удерживавшая ее там на определенной высоте, - это атмосферное давление. Свеча нагрела в стакане воздух, давление его возросло, часть газа вышла наружу. Когда свеча погасла, воздух снова остыл, но при охлаждении его давление уменьшилось, под стакан вошла вода, вгоняемая туда давлением наружного воздуха.

Опыт №2. «Яйцо в бутылке».

Оборудование: очищенное вареное яйцо, стеклянная бутылка.

План исследования: Аккуратно установим яичко на горлышке бутылки. Зажжем небольшой кусочек бумаги и опустим его в бутылку. На горлышко бутылки поместим яйцо. Подождем несколько минут. Яйцо упадет на дно бутылки.

Объяснение: Когда мы поместили горящую бумагу в бутылку, то она и весь воздух в ней нагревается. Снаружи воздух прохладней. Горячий воздух стремится покинуть бутылку как можно быстрее. Из-за этих действий происходит перепад давления, что, в последствии, заставляет яичко падать на дно бутылки.

«Барометр своими руками».

Оборудование:

стеклянная банка

воздушный шарик

канцелярская резинка, скотч

бамбуковая шпажка

цветная бумага для стрелочки

канцелярский зажим-прищепка

Алгоритм выполнения:

1.Натягиваем шарик на горлышко банки и закрепляем его крепко-накрепко резинкой или скотчем.

2. На кончик бамбуковой шпажки приклеиваем стрелочку из бумаги. Второй конец палочки с помощью скотча приклеиваем на шарик.

3.В прищепку вставляем полоску картона высотой с банку, на которой будем делать шкалу. Устанавливаем шкалу так, чтобы стрелочка барометра показывала на нее, и карандашом отмечаем показания.

4.Чтобы градуировать шкалу, надо на первых порах сличать показания нашего самодельного барометра с настоящим.

Вывод: За два месяца наблюдений мы получили данные и теперь можем измерять давление в диапазоне от 740 до 795 мм ртутного столба.

Заключение

В ходе выполненной работы я изучила понятие «Атмосферное давление» с физической точки зрения. Мы провели ряд экспериментов, наглядно демонстрирующих существование атмосферы и атмосферного давления, соблюдая технику безопасности.

В результате исследований были получены следующие выводы:

Атмосферное давление существует.

Силу атмосферного давления можно рассчитать.

В жидкостях и газах давление во все стороны передаётся одинаково.

Атмосферное давление зависит от высоты.

Атмосферное давление зависит от температуры.

Атмосферное давление и человек - взаимосвязаны. С изменением атмосферного давления меняется внутреннее давление человека.

В своей домашней лаборатории сделали самодельный барометр.

В настоящее время всем известно, что воздух имеет вес и оказывает давление на все окружающие нас предметы. Эти знания необходимы в медицине, в технологических процессах, жизнедеятельности человека и всех живых организмов.

Библиография

1. Е.Н Соколова. Простой физический опыт. Издательство «Просвещение» Москва-1969г.

2. Вечера по физике в ср. школе. Составитель БраверманЭ.М. М., «Просвещение», 1969г

3. Владимиров А. В. Рассказы об атмосфере. М., Просвещение, 1981г

4. ПокровскийС. Ф. Наблюдай и исследуй сам. М., Просвещение, 1966г

5.Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин. ГОСТ 8.417-2002.

6. Ссылки на ресурсы интернет:

class-fizika.narod.ru/7_davlatm.htm

davlenie.org/vliyanie-atmosfernogo-davleniya-na-zdorove-cheloveka.html

https://ru.wikipedia.org/wiki/Площадь_поверхности_тела

www.tavika.ru/2015/06/barometr.html

Приложение 1

Строение атмосферы.

Приложения №2

Единицы давления

Бар (русское обозначение: бар; международное: bar; от греч. βάρος — тяжесть) — внесистемная единица измерения давления примерно равная одной атмосфере. Один бар равен 10⁵ Па

В метеорологии для измерения атмосферного давления часто применяется единица миллибар (мбар), равная 0,001 бар, или 10³ дин/см² (точно), или 0,986923·10⁻³ атм (атмосфер физических).

Для измерения атмосферного давления на планетах с сильно разреженной атмосферой применяется микроба́р (мкбар), равный 10⁻⁶ бар.

Приложение №3

Атмосферное давление (мм рт.ст.)

Температура воздуха (^oC)

Приложение № 4

Атмосферное давление и самочувствие человека