Атмосферное давление — опыт Торричелли, числовое значение
Прямо сейчас на каждый квадратный сантиметр твоего тела давит воздух с силой около одного килограмма. На всё тело — это несколько тонн! Ты этого не замечаешь, потому что такое же давление действует изнутри тебя. Но как учёные вообще догадались, что воздух что-то весит и на что-то давит, если его не видно и не пощупать? Ответ — знаменитый опыт итальянского учёного Эванджелисты Торричелли.
Что такое атмосферное давление?
Земля окружена слоем воздуха — атмосферой. Воздух состоит из молекул, и хотя каждая молекула очень лёгкая, их огромное количество, и все вместе они имеют вес.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Атмосферное давление — это давление, которое создаёт столб воздуха атмосферы, действуя на все предметы, находящиеся на поверхности Земли и в самой атмосфере.
Долгое время люди вообще не знали, что воздух способен давить. Ситуация изменилась в XVII веке, когда итальянский физик Эванджелиста Торричелли, ученик Галилея, придумал опыт, который не только доказал существование атмосферного давления, но и позволил впервые измерить его величину.
Опыт Торричелли
Как был поставлен опыт
В 1643 году Торричелли провёл опыт, который вошёл во все учебники физики. Вот что он сделал:
Шаг 1. Взял стеклянную трубку длиной около метра, запаянную с одного конца.
Шаг 2. Полностью заполнил её ртутью — так, чтобы внутри не осталось ни единого пузырька воздуха.
Шаг 3. Зажал открытый конец пальцем, перевернул трубку и опустил открытым концом в чашку с ртутью.
Шаг 4. Убрал палец — и часть ртути вылилась в чашку, но не вся!
Почему ртуть не выливается полностью
Это самое интересное в опыте. Ртуть в трубке остановилась и застыла на высоте примерно 760 мм над уровнем ртути в чашке, а над ней в трубке образовалась пустота (её позже назвали «торричеллиевой пустотой»).
ГЛАВНАЯ ИДЕЯ ОПЫТА
Ртуть в трубке удерживается не «пустотой сверху», а давлением атмосферы, которое давит на открытую поверхность ртути в чашке снизу-вверх через трубку. Столб ртути падает до тех пор, пока его вес не уравновесит это внешнее давление.
Что доказал опыт
Торричелли понял: раз столб ртути высотой 760 мм удерживается в равновесии, значит, атмосфера давит с такой же силой, с какой давил бы столб ртути такой высоты. Это был первый в истории способ не просто заметить, а измерить давление воздуха.
Числовое значение атмосферного давления
Раз атмосферное давление равно давлению столба ртути высотой 760 мм, можно вычислить его точное числовое значение в паскалях по формуле давления столба жидкости.
ФОРМУЛА ДАВЛЕНИЯ СТОЛБА ЖИДКОСТИ
p = ρ · g · h
где ρ — плотность жидкости (кг/м³), g — ускорение свободного падения (м/с²), h — высота столба (м).
Подставим данные для ртутного столба Торричелли:
ρ (ртути) = 13 600 кг/м³
g ≈ 9,8 м/с²
h = 760 мм = 0,76 м
p₀ = 13 600 · 9,8 · 0,76 ≈ 101 300 Па
ЗАПОМНИ ЭТО ЧИСЛО
p₀ ≈ 101 325 Па ≈ 101,3 кПа ≈ 760 мм рт. ст.
Это значение называют нормальным атмосферным давлением — среднее давление воздуха на уровне моря.
Почему именно ртуть, а не вода?
Логичный вопрос: почему Торричелли не взял обычную воду? Дело в плотности. Ртуть намного плотнее воды — примерно в 13,6 раза. Значит, для того же самого атмосферного давления столб воды должен быть в 13,6 раза выше.
h(воды) = p₀ ÷ (ρ(воды) · g) = 101 300 ÷ (1000 · 9,8) ≈ 10,3 м
То есть, если бы Торричелли использовал воду, трубка должна была быть длиной более 10 метров! С ртутью же хватило трубки чуть больше метра — гораздо удобнее для опыта.
| Единица измерения | Значение нормального давления |
|---|---|
| Паскали (Па) | 101 325 Па |
| Килопаскали (кПа) | 101,3 кПа |
| Миллиметры ртутного столба | 760 мм рт. ст. |
| Атмосферы | 1 атм |
Практические примеры атмосферного давления
Пример 1: Почему в горах труднее готовить еду
Чем выше в горы, тем меньше воздуха давит сверху, а значит, атмосферное давление ниже. Из-за этого вода закипает при более низкой температуре — иногда даже при 90 °C. Поэтому в горах еда варится дольше.
Пример 2: Питьё через трубочку
Когда ты втягиваешь воздух через трубочку, ты понижаешь давление внутри неё. Атмосферное давление снаружи, действуя на поверхность напитка в стакане, «проталкивает» жидкость вверх по трубочке к тебе в рот.
Пример 3: Присоска на гладкой поверхности
Когда ты прижимаешь присоску к стеклу, ты выдавливаешь воздух из-под неё. Атмосферное давление снаружи держит присоску прижатой к поверхности — точно так же, как оно удерживало столб ртути в трубке Торричелли.
Решение задач
Задача 1: Проверка нормального давления
Условие: высота ртутного столба в трубке Торричелли равна 760 мм. Плотность ртути 13 600 кг/м³, g = 9,8 м/с². Найди атмосферное давление в паскалях.
Решение:
Шаг 1. Переведём высоту в метры: h = 760 мм = 0,76 м.
Шаг 2. Применим формулу давления столба жидкости: p = ρ · g · h.
Шаг 3. Подставим числа: p = 13 600 · 9,8 · 0,76.
p ≈ 101 300 Па
Ответ: атмосферное давление составляет примерно 101 300 Па.
Задача 2: Высота ртутного столба при другом давлении
Условие: в облачный день атмосферное давление понизилось до 98 800 Па. Какой высоты столб ртути покажет барометр Торричелли в этот день?
Решение:
Шаг 1. Из формулы p = ρ · g · h выразим h: h = p ÷ (ρ · g).
Шаг 2. Подставим данные: h = 98 800 ÷ (13 600 · 9,8).
h ≈ 0,74 м = 740 мм
Ответ: столб ртути в барометре опустится примерно до 740 мм — именно так метеорологи по сей день отслеживают изменения погоды.
Краткий итог
СУТЬ ОПЫТА ТОРРИЧЕЛЛИ
Атмосфера состоит из воздуха, который имеет вес и давит на всё вокруг. Торричелли доказал это, перевернув заполненную ртутью трубку в чашку с ртутью: столб ртути остановился на высоте 760 мм, потому что именно с такой силой давит атмосфера.
Числовое значение нормального атмосферного давления: p₀ ≈ 101 325 Па ≈ 760 мм рт. ст. Это значение и сегодня используется как эталон в физике и метеорологии.
Вопросы и ответы
Оцените урок:
