IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Атмосферное давление в опытах с водой
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность изучения темы атмосферного давления заключается в том, что оно проявляет себя в самых необычных его свойствах. Если задуматься, 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.
Явление атмосферного давления широко распространено в окружающей нас среде и играет большую роль в самых разнообразных процессах.
Объясняя это явление, мы приоткрываем тайну удивительного и важного ФИЗИЧЕСКОГО явления.
Казалось бы, «атмосферное давление» - какое страшное слово, не всем знакомы его проявления и свойства. Однако, если хорошо изучить данный термин, можно с легкостью понять и объяснить те или иные процессы. Об этом мне и хотелось бы Вам сегодня рассказать.
Гипотеза: Действительно ли при различных обстоятельствах вода ведет себя по-разному из-за влияния атмосферного давления.
Цель: Изучить и наглядно представить влияние атмосферного давления на положение жидкости в определенной емкости.
Задачи:
изучить теорию и основные понятия «давления», его свойства;
узнать о значимости давления в природе, быту и влияние его на окружающую среду;
провести ряд опытов, связанных с изучением давления;
обобщить изученный материал и сделать выводы.
Общие сведения об атмосферном давлении, его свойства
Мы живём в мире самых удивительных явлений природы. Мы сталкиваемся с ними каждый день, не задумываясь о сущности. Разумный человек должен понимать суть этих явлений. Эти знания дают нам ответы на многие вопросы в повседневной жизни и в решении научно-технических задач.
Воздух окружает Землю шаровым слоем – это огромный воздушный океан, на дне которого мы живём. Воздушную оболочку, окружающую Землю, называют атмосферой (от греческого атмос — пар, воздух и сфера— шар), она простирается на высоту одной тысячи километров.
Масса атмосферы огромна - более миллиарда тонн.
В состав атмосферы входят различные газы, но в основном в ней находятся азот (78%) и кислород (21%).
Атмосфера условно разделена на слои, каждый из этих слоев оказывает давление на Землю. 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 10 Ньютонов. На среднего по размерам человека, атмосфера давит с силой 150 килоньютонов или 15 тонн!
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.
Изучение атмосферного давления опытным путем
Существованием атмосферного давления могут быть объяснены многие явления, с которыми мы встречаемся в повседневной жизни. Для этого я провел ряд занимательных опытов.
Опыт №1: Почему вода не выливается из перевернутой бутылки
Для проведения данного опыта мне понадобилась бутылка и емкость в виде пологой тарелки, ну и конечно же вода (см. приложение А рис.1).
Последовательность действий была такова:
1. Я набрал воду в бутылку, оставляя ее ненаполненной доверху.
2. Далее наливаем немного воды в посуду.
3. Переворачиваем бутылку с водой так, чтобы горлышко касалось поверхности воды.
Наблюдаем интересное явление: вода не вытекает из бутылки в тарелку. С чем это связано?
Объясняется это следующим образом: Вода не выливается из опрокинутой вверх дном и опущенной горлышком в воду бутылки, так как давление столба воды внутри бутылки уравновешивается атмосферным давлением на открытую поверхность воды.
Опыт №2: Почему вода не наливается в бутылку
Почему воронка с запечатанным пластилином горлышком «отказывается» пропускать воду?
Последовательность действий:
1. Вставляем в каждую бутылку по воронке.
2. У одной из бутылок залепим горлышко пластилином так, чтобы пластилин не пропускал воздух.
3. В первую бутылку наливаем воду.
4. Наливаем воду во вторую бутылку, горлышко которой залеплено пластилином.
Наблюдаем: из воронки протечёт несколько капель воды, а потом вода и вовсе перестанет капать (см. приложение А рис.2).
Вопрос: волшебная ли эта воронка, или же все же чудеса атмосферного давления?
В первую бутылку вода течёт свободно, тем самым вымещая из неё воздух, который будет выходить через щели между бутылкой и воронкой.
В запечатанной бутылке тоже имеется воздух, который имеет своё давление. Вода, оказавшаяся в воронке тоже обладает неким давлением, которое возникает благодаря силе тяжести, тянущей её вниз. Однако давление в бутылке превышает силу тяжести воды в воронке, тем самым как бы не даёт воде пройти в бутылку.
Если бы мы создали некий «вакуум» между воронкой и горлышком бутылки, вода не капала бы вообще.
Опыт №3: Почему вода не выливается из бутылки через отверстия
Почему вода в открытой бутылке пропускает воду сквозь дырки, а в случае с закрытой бутылкой – нет?
Последовательность действий:
1. Наливаем в бутылку воды
2. Закрываем её и делаем отверстия по ободку бутылки
3. Открывая бутылку, вода начинает вытекать сквозь эти самые отверстия
4. В противном случае, если бутылку закрыть крышкой, вода вытекать не будет
В чём же хитрость данного явления?
Когда наша бутылка не закрыта, атмосфера как бы «выдавливает» воду из бутылки, это давление больше давления нашей жидкости. В случае с закрытой крышкой на воду будет действовать исключительно давление воздуха, находящегося в бутылке. Оно мало и поэтому его не хватит, чтобы «выдавить» воду из отверстий в бутылке (см. приложение А рис.3).
Роль атмосферного давления в природе, быту и влияние его на окружающую среду
Существование атмосферы делает возможным жизнь на Земле, оказывает значительное влияние на ее природу. Атмосфера защищает все живое на Земле от разрушительных действия ультрафиолетовых лучей, от быстрого нагревания лучами Солнца и остывания.Атмосфера надежная защита нашей планеты от метеоритов. Не будь ее, они сыпались бы на Землю как дождь.Пока метеориты летят через атмосферу, они встречают сопротивление воздуха, раскаляются и сгорают.
Роль атмосферного давления в жизни живых организмов очень велика. Многие органы действуют за счёт атмосферного давления.
На существовании атмосферного давления основан механизм вдоха и выдоха (см. приложение Б рис. 1). Когда объем грудной клетки увеличивается, в легких создается область пониженного давления, и атмосферный воздух через рот, нос входит в легкие, - происходит вдох. При выдохе уменьшается объем грудной клетки, при этом давление воздуха в легких возрастает и воздух выходит.
Мы, наверное, никогда не задумывались над тем, как мы пьём. При питье мы
«втягиваем» жидкость в себя. Почему же жидкость устремляется к нам в рот? При питье мы расширяем грудную клетку и тем разряжаем воздух во рту; под давлением наружного воздуха жидкость устремляется в то пространство, где давление меньше, и таким образом проникает к нам в рот.
Перенесение организма на другой высотный уровень вызывает расстройство его функций. Человек, попадая в пространство, где давление значительно ниже атмосферного, например, на высокие горы или при взлёте или посадки самолёта, нередко испытывает боль в ушах и даже во всём теле. Наружное давление быстро уменьшается, воздух находящийся внутри нас, начинает расширяться, производит давление на различные органы и вызывает боль.
Примеры использования в медицине - это пипетки, медицинские банки, шприцы.
Простейшее устройство, использующее в своей работе атмосферное давление, - медицинский шприц (см. приложение Б рис.2). Он состоит из прозрачного цилиндра, внутри которого ходит поршень. Когда нам нужно набрать в шприц лекарственный раствор, мы начинаем поднимать поршень. Воздух между дном и поршнем разрежается. И за счёт разницы давлений внутри шприца и наружного атмосферного давления жидкость будет подниматься вверх, пока не заполнит свободное пространство. Так же поднимается жидкость в пипетке.
Примеры из жизни животных: спрут, пиявки, мухи (присоски), копыта жвачных животных, хобот у слона.
Мухи и древесные лягушки могут держаться на оконном стекле благодаря крошечным присоскам, в которых создается разрежение, и атмосферное давление удерживает присоску на стекле.
Слон использует атмосферное давление всякий раз, когда хочет пить - он опускает хобот и втягивает воздух. Под действием атмосферного давления хобот наполняется водой, тогда слон изгибает его и выливает воду в рот.
Примеры использования в быту: приборы – барометры (см. приложение Б рис.3), поилка для птиц, доильные аппараты, велосипедный насос, фонтаны, детские игрушки на присосках, мыльницы на присосках.
Воздушный насос, которым мы накачиваем мяч или автомобильную шину, использует в своей работе сжатый воздух (см. приложение Б рис. 4). Простейший воздушный насос похож на шприц. Конечно, его цилиндр и поршень отличается от аналогичных частей шприца размерами и материалом, из которого они изготовлены. Кроме того, такой насос имеет в корпусе 2 отверстия. Одно предназначено для забора воздуха, а в другое вставлен резиновый шланг с ниппелем на конце. Воздух попадает в корпус, когда поршень движется вверх. Опускаясь, поршень сжимает воздух и выталкивает его через ниппель в шину или мяч.
Заключение
В результате проделанных мною опытов я понял, что изучением подобных явлений занимается такая наука, как физика. С помощью неё обусловливаются многие окружающие меня процессы.
Имеющихся в моем багаже знаний пока катастрофически не хватает, чтобы изучить вопрос глубже, но я хочу получить достаточное количество знаний, чтобы продолжить в дальнейшем изучение физических явлений.
В соответствии с задачами, поставленными во введении, были выполнены исследования и опыты, позволившие сделать следующие выводы:
Подтвердили экспериментально, что атмосферное давление существует.
В жидкостях и газах давление во все стороны передаётся одинаково (опыт № 3).
Атмосферное давление имеет силу. Опытным путём я доказал, что с помощью изменения силы давления можно изменять положение жидкости в различных ёмкостях.
Вследствие полученных в ходе работы результатов следует, что выдвинутая мной гипотеза верна: вода действительно ведет себя по-разному из-за влияния атмосферного давления.
Таким образом, поставленные в работе задачи полностью выполнены, и работа представляет собой законченное исследование, в результате которого была достигнута основная цель – изучено и наглядно представлено влияние атмосферного давления на положение жидкости в определенной емкости.
Каждому школьнику советую изучить данную тему, чтобы знать, чем объясняется большое количество интересных явлений, с которыми мы сталкиваемся в природе и в жизни.
Наглядно самим провести опыты, представленные мною в работе, чтобы увидеть явление атмосферного давления.
Список литературы
Как выйти сухим из воды? Забавные опыты с водой/ С.В. Болушевский, В.Г. Зарапин, А.О. Караваева – Москва: Эксмо, 2016.
Большая книга научных опытов для школьников/ С.В. Болушевский, В.Г. Зарапин, М.А. Яковлева. – Москва: Эксмо, 2014.
Занимательная физика/ Я.И. Перельман. – Москва: «АСТ», 2017.
"Физика-7” под.ред А.А. Пинского, В.А. Разумовского Москва "Просвещение” 2002. "Физическая смекалка. Занимательные задачи и опыты по физике для детей”. Москва "Омега” 1994.
http://www.radostmoya.ru. Сайт телеканала «Радость моя». Проект «Академия занимательных наук. Физика»
http://class-fizika.ru Сайт класс!ная физика.
Приложение А
Рис. 1. Опыт №1: Почему вода не выливается из перевернутой бутылки
Приложение А
Рис. 2. Опыт №2: Почему вода не наливается в бутылку
Приложение А
Рис. 3. Опыт №3: Почему вода не выливается из бутылки через отверстия
Приложение Б
Рис. 1. Дыхание человека.
Рис. 2. Медецинский шприц.
Рис. 3. Барометр.
Рис. 4. Воздушный насос.