Obserwujemy i mierzymy:
a - Sprawdzamy doświadczalnie istnienie ciśnienia atmosferycznego.
b - Obserwujemy skutki działania ciśnienia atmosferycznego.
c - Mierzymy wartość ciśnienia atmosferycznego.
Plan pracy:
• Historia odkryć naukowych – ciśnienie atmosferyczne.
• Związek między szybkością gazu a jego ciśnieniem.
• Sprawdzamy doświadczalnie istnienie ciśnienia atmosferycznego.
• Obserwujemy skutki działania ciśnienia atmosferycznego i prawa Bernoulliego.
• Pomiar ciśnienia atmosferycznego.
W starożytności uważano, że powietrze „nic nie waży”. Nie brano pod uwagę, że powietrze otaczające Ziemię ma swój ciężar i jest przez nią przyciągane. Wywiera ono ciśnienie na dowolną powierzchnię w nim zanurzoną, czyli na wszystkie przedmioty, a także zwierzęta i ludzi. Wartość tego ciśnienia maleje ze wzrostem wysokości nad poziomem morza. Przyczyną zmniejszającego się ciśnienia jest malejący słup powietrza i zmniejszająca się gęstość powietrza wraz ze wzrostem wysokości. Na poziomie morza, ciśnienie powietrza wynosi około 100 tys. Pa, a na wysokości 5 000 m wynosi ono o połowę mniej. Zależność zmiany ciśnienia od wysokości wykorzystano przy budowie wysokościomierzy. Pierwszym, który zmierzył ciśnienie atmosferyczne, był Ewangelista Torricelli.Inspiracje czerpał z doświadczeń Galileusza, który zwrócił uwagę na fakt, że wysokość słupa wody w rurach pomp ssących nie przekracza 10 m. Wynikiem badań Torricellego, było określenie wysokości słupa rtęci w rurkach zamkniętych i zanurzonych w naczyniu z rtęcią. W 1644 roku skonstruował on pierwszy barometr rtęciowy jako przyrząd do pomiaru ciśnienia atmosferycznego.
Zmiany ciśnienia atmosferycznego odczytywane na barometrze pomagają przy przewidywaniu pogody. Nadchodzenie wyżu, czyli mas powietrza o większym ciśnieniu, powoduje, że wskazania barometru rosną, jeśli zbliża się niż, czyli układ mas powietrza o ciśnieniu niższym, wskazania barometru maleją.
W bardzo efektowny sposób, istnienie ciśnienia atmosferycznego udowodnił Otto Guericke w 1654 roku. Przeprowadził on słynne doświadczenie z półkulami magdeburskimi. Aby je rozdzielić po wypompowaniu z nich powietrza, trzeba było zaprząc osiem koni.
Dlaczego huragan zrywa dachy domów a szybowiec może unosić się w powietrzu?
Podczas huraganu zaobserwowano, że ciśnienie atmosferyczne obniża się i jest mniejsze niż wewnątrz domu, ale gęstość powietrza w domu i na dworze jest taka sama. Dlaczego tak się dzieje wyjaśnił Dawid Bernoulli w XVIII wieku. Odkrył on związek między szybkością gazu a jego ciśnieniem. Według Bernoulliego ciśnienie gazu maleje wraz ze wzrostem jego prędkości. Za pomocą tego prawa można więc wyjaśnić dlaczego gwałtowny wiatr unosi dachy domów. Im wiatr ma większą prędkość tym powietrze ma mniejsze ciśnienie statyczne. Zrywanie dachów podczas huraganu należy więc tłumaczyć różnicą ciśnień między ciśnieniem w domu a ciśnieniem na dworze. Ciśnienie wewnątrz domu jest większe niż na zewnątrz i to ono wypycha dach od środka. Podobny mechanizm unosi szybowiec. Dlaczego nie odczuwamy działającego na nas ciśnienia atmosferycznego?
Dzieje się tak, dlatego, że ciśnienie krwi w naczyniach krwionośnych i ciśnienie płynów ustrojowych w komórkach ciała zbliżone jest do ciśnienia atmosferycznego.
II Sprawdzamy doświadczalnie ciśnienie atmosferyczne
Eksperyment 1
Materiały: Plastikowa butelka z nakrętką po napojach o pojemności 1,5 litra, lejek, gruba rękawica kuchenna, szklanka gorącej wody.
Wykonanie:
Podgrzać w czajniku wodę do temperatury około 80°C . Wlać jedną szklankę gorącej wody do butelki. Używając rękawicy kuchennej wymieszać wodę w butelce tak, by dokładnie oblała ścianki naczynia. Wylać wodę i szybko zakręcić butelkę. Odstawić butelkę na blat stołu.
Obserwacja: Butelka „sama” się zgniotła.
Wyjaśnienie:
Ogrzane powietrze w butelce zwiększa swoją objętość i część jego uchodzi z butelki. Zakręcenie butelki powoduje, że po chwili (po ostygnięciu gazu) będzie w niej niższe ciśnienie niż na zewnątrz, co wywołuje jej zgniecenie.
Eksperyment 2
Materiały:
Szklanka, woda, kartka papieru, miska.
Wykonanie:
Nalać do szklanki wody do pełna tak, aby nie pozostał w niej żaden pęcherzyk powietrza i przykryć ją kartką papieru. Przytrzymując kartkę papieru, odwrócić szybkim ruchem szklankę do góry dnem i puścić kartkę. Doświadczenie przeprowadzić nad miską.
Obserwacja:
Po usunięciu ręki kartka papieru szczelnie przylega do szklanki i woda ze szklanki nie wylewa się.
Wyjaśnienie: Od dołu w górę na kartkę papieru działa ciśnienie atmosferyczne. Siła ciężkości wody jest mniejsza od siły parcia pochodzącej od ciśnienia atmosferycznego.
Eksperyment 3
Materiały:
Plastikowa butelka, woda, gwóźdź, miska.
Wykonanie: Za pomocą gwoździa zrobić w butelce otwór w pobliżu jej dna i zakleić go taśmą klejącą. Nalać do butelki wody do połowy jej objętości. Odkleić przylepioną wcześniej taśmę i obserwować przez krótką chwilę zachowanie się strumyka wody, a następnie zakręcić szczelnie butelkę. Doświadczenie przeprowadzać nad miską.
Obserwacja:
Początkowo woda swobodnie wypływa przez dolny otwór. Po zakręceniu butelki, wypływ wody ustał.
Wyjaśnienie:
Początkowo ciśnienie atmosferyczne działało na wodę przez oba otwory i woda mogła swobodnie wypływać z butelki. Po zakręceniu butelki wypływ wody spowodował, że powietrze zwiększyło objętość a tym samym zmniejszyło się jego ciśnienie. Ciśnienie powietrza w butelce stało się mniejsze niż ciśnienie na zewnętrz. Ciśnienie atmosferyczne zahamowało wypływ wody.
Pomiar ciśnienia atmosferycznego:
Materiały:
Strzykawka, duży lejek, pięciolitrowa butelka po wodzie mineralnej, litrówka (pojemnik używany w gospodarstwie domowym do wyznaczania pojemności różnych produktów), kawałek mocnego drutu, linijka.
Wykonanie:
a) Zmierzyć średnicę tłoka strzykawki i obliczyć jego powierzchnię S = πr2
b) Przymocować uchwyt butelki za pomocą drutu do tłoka strzykawki.
c) Przesunąć tłok strzykawki tak, aby wypchnąć z niej powietrze. Zatkać palcem otwór na igłę lub założyć gumową zatyczkę i trzymając strzykawkę podnieść ją z butelką tak, aby butelka wisiała swobodnie nad ziemią.
d) Wlać przez lejek dwa litry wody, a następnie dolewać litrówką mniejsze ilości wody aż do momentu kiedy tłok strzykawki ruszy z miejsca.
e) W chwili kiedy tłok ruszy z miejsca, parcie atmosferyczne zostanie zrównoważone ciężarem wody zawartej w butelce F = Q.
f) Obliczamy masę wody zawartej w butelce. m = ρ · V gdzie ρ = 1000kg/m3
g) Obliczamy ciężar wody Q = m · g
h) Obliczamy ciśnienie atmosferyczne zgodnie ze wzorem p= F/S Wyjaśnienie: Wylot strzykawki jest zamknięty palcem i powietrze nie może się dostać pod tłok. Można przyjąć, że panuje tam próżnia. Powietrze atmosferyczne działa na tłok z zewnątrz, siłą o wartości równej ciężarowi butelki z wodą.
Wykorzystanie ciśnienia atmosferycznego w życiu codziennym.
Różnicę ciśnień w życiu codziennym wykorzystujemy w następujących sytuacjach:
a) nabierając płynu do strzykawki czy pipety wytwarzamy podciśnienie i parcie atmosferyczne działając na ciecz wpycha ją do zbiornika,
b) pijąc napoje przez słomkę wciągamy powietrze ze słomki co powoduje obniżenie w niej ciśnienia, co z kolei umożliwia ciśnieniu atmosferycznemu „ wepchnięcie” do niej napoju,
c) chcąc szybciej wypić napój z kartonowego pudełka, robimy w górnej jego części dodatkowy otwór, aby powietrze atmosferyczne wypełniło przestrzeń zwolnioną przez wypity napój i wywierało parcie na powierzchnię napoju ułatwiając jego wypicie drugim otworem,
d) przyczepiając wieszaczek w postaci przyssawki, dociskamy go do gładkiej powierzchni i wypychamy powietrze znajdujące się między powierzchnią a przyssawką natomiast ciśnienie atmosferyczne dociska ją do powierzchni,
e) oddychając, wyginająca się przepona wytwarza różnicę ciśnień między płucami a ciśnieniem zewnętrznym, co umożliwia nam wdech i wydech,
f) gotując słoiki z przetworami powodujemy, że część nagrzanego powietrza uchodzi ze słoika wywołując podciśnienie, a parcie atmosferyczne działając na pokrywkę szczelnie ją dociska,
g) stawiając bańki lekarskie, wypuszczamy z nich część powietrza na miejsce którego zasysana jest skóra oddzielająca płyny ustrojowe o ciśnieniu równym ciśnieniu atmosferycznemu, h) kierowcy samochodów, szczególnie ciężarowych, muszą odpowiednio manewrować pojazdem podczas mijania się z dużymi prędkościami, gdyż są narażeni na zderzenie boczne. Zgodnie z prawem Bernoulliego, ciśnienie powietrza od strony mijających się samochodów zmniejsza się. Ciśnienie działające na zewnętrzne ściany pojazdów jest większe i dociska samochody do siebie.
i) przy silnym wietrze często doświadczamy wywijania się parasoli na zewnątrz. Winny jest ich zakrzywiony kształt. Powietrze nad parasolem ma większą szybkość czyli zgodnie z prawem Bernoulliego, panuje tam niższe ciśnienie niż pod parasolem. Podobnie jak na skrzydła samolotu zaczyna działać różnica ciśnień, która pomnożona przez powierzchnię parasola daje siłę naciskającą od jego wnętrza i wyginającą parasol do góry.
05.10.2023
