ФИЗИКА

Учебник для 7 класса

§ 21.2. Опыты по обнаружению и измерению атмосферного давления

Как убедиться в существовании атмосферного давления на опыте? Самый впечатляющий опыт поставил в 17-м веке немецкий ученый Отто фон Герике (см. раздел «Магдебургские полушария»). А мы тут рассмотрим опыты хотя и не столь эффектные, зато более простые.

Вот самый простой опыт: втяните щеки (рис. 21.3). Почему щеки втянулись — разве их что-то тянет внутрь? Во рту нет «крючков», которые тянули бы щеки изнутри. Значит, на щеки что-то давит снаружи. Это «что-то» и есть давление атмосферы: втягивая щеки, вы уменьшаете давление воздуха во рту, и атмосферное давление вдавливает щеки. Поэтому точнее было бы говорить, что щеки не втянуты, а вдавлены — они вдавлены наружным атмосферным давлением.

Рис. 21.3. Когда вы втягиваете щеки, вы на самом деле помогаете атмосферному давлению вдавить их

До какой высоты можно поднять воду поршнем?

Когда вы пьете сок через трубочку (рис. 21.4, а), вы тоже втягиваете щеки, уменьшая давление во рту. И давление атмосферы, действуя на поверхность сока в пакете, толкает сок в трубочку.

Благодаря атмосферному давлению поднимается и вода в трубке вслед за поршнем (рис. 21.4, б). Давление атмосферы на поверхность воды схематически показано красными стрелками; оно вталкивает воду в трубку при подъеме поршня. Так, например, поднимают воду из неглубокого колодца.

Рис. 21.4. Атмосферное давление помогает вам пить сок через трубочку (а), а воде — подниматься в трубке вслед за поршнем (б)

Однако еще древние строители колодцев знали, что поднять воду поршнем из колодца можно не более чем на 10 метров. Поршень можно поднимать и дальше, но вода выше 10 м не поднимается.

«Терпит» ли природа пустоту? Подъем воды вслед за поршнем древние греки объясняли так: если бы вода не поднималась, то между водой и поршнем образовалась бы пустота, а согласно Аристотелю «природа не терпит пустоты».

Ученик Галилея, которого звали Эванджелиста Торричелли, следуя примеру своего учителя, доверял больше опыту и разуму, чем авторитету Аристотеля. Торричелли догадался, что вода поднимается не потому, что ее будто бы тянет образующаяся под поршнем пустота, а потому, что ее толкает давление атмосферы на поверхность воды в колодце (см. рис. 21.4, б). Однако по мере того как увеличивается высота столба воды в трубке, увеличивается и создаваемое этим столбом давление. И как только оно становится равным давлению атмосферы, дальнейший подъем воды становится невозможным.

А если все же продолжать поднимать поршень? Тогда между ним и поверхностью воды образуется пустота. В честь Торричелли ее назвали «торричеллиева пустота». Так Торричелли опроверг старинное заблуждение, что «природа не терпит пустоты».

Между водой и поршнем будет все-таки не абсолютная пустота: там будет водяной пар, но его давление при комнатной температуре значительно меньше, чем давление атмосферы.

Чему равно атмосферное давление? То, что воду нельзя поднять поршнем выше 10 метров, означает, что атмосферное давление равно давлению, создаваемому десятиметровым столбом воды, то есть многокилометровый слой воздуха над поверхностью Земли создает такое же давление, как столб воды высотой с трехэтажный дом. При подъеме атмосферное давление постепенно уменьшается (см. раздел «Как зависит атмосферное давление от высоты?»).

Решим задачи

Найдите, чему равно атмосферное давление, приняв, что оно равно давлению, создаваемому 10-метровым столбом воды.

С какой силой давит атмосфера на квадратный сантиметр поверхности?

Оцените, с какой силой давит атмосфера на вашу ладонь. Площадь ладони примите равной 60 см². Почему вы не чувствуете эту силу?

Опыт торричелли

По предложению Торричелли был поставлен следующий опыт. Запаянную с одного конца стеклянную трубку длиной около 1 м заполнили ртутью. Затем открытый конец трубки закрыли пальцем, перевернули трубку и опустили нижним концом в чашу со ртутью. Когда палец убрали, в трубке остался столб ртути высотой около 760 мм (рис. 21.5).

Рис. 21.5. Опыт Торричелли

При наклоне трубки высота столба ртути не изменялась (до тех пор, пока вся трубка не заполнялась ртутью). Современники Торричелли удивлялись этому опыту, но нам сейчас он понятен: ртуть не выливается из трубки потому, что ее удерживает давление атмосферы на поверхность ртути в чаше.

Почему же столб ртути, уравновешивающий давление атмосферы, намного меньше водяного столба? Дело в том, что плотность ртути в 13,6 раза больше плотности воды. Поэтому согласно формуле р = ρgh давление, равное атмосферному, создает столб ртути, который в 13,6 раза ниже 10-метрового водяного столба, создающего такое же давление.

Поскольку столб ртути в трубке создает давление, равное атмосферному, то высотой этого столба можно измерять атмосферное давление. Долгое время так и поступали. И сегодня в сводках погоды значение атмосферного давления дают часто в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.).

Так называемым нормальным атмосферным давлением принято считать давление, которое создает столб ртути высотой 760 мм.

Решим задачу

Выразите нормальное атмосферное давление (760 мм рт. ст.) в паскалях. Для большей точности примите g = 9,8 Н/кг.

При решении задач для упрощения расчетов нормальное атмосферное давление часто принимают равным 100 кПа.

Лежащий на столе лист плотной бумаги оказывает давление 1 Па. Какова высота пачки бумаги, если она оказывает давление, равное нормальному атмосферному? Толщину листа примите равной 0,1 мм.