Вес воздуха и атмосферное давление

Для начала вспомним пройденное вами на уроках географии: что же такое атмосфера (рисунок 1) и каково ее строение?

Атмосфера — это воздушная оболочка Земли, состоящая из нескольких слоев (ионосфера, термосфера, стратосфера и тропосфера), которые простираются на несколько тысяч километров в высоту. 

Основная масса воздуха находится в нижнем слое — тропосфере. Как вы знаете, наиболее плотный и сжатый воздух находится именно в тропосфере, так как количество молекул в этом слое больше. А чем выше слой, тем воздух более разреженный.

Другими словами, плотность атмосферы с высотой уменьшается. Но почему атмосфера не улетает в космос? Почему не оседает на поверхность Земли? Сейчас мы найдем ответы на эти интересные вопросы.

{"questions":[{"content":"Как изменяется плотность воздуха над поверхностью Земли с возрастанием высоты?[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["уменьшается","увеличивается","Не изменяется"],"answer":[0]}}}]}

Вес воздуха

Как и на любое тело на Земле, на воздух действует сила тяжести. Соответственно, мы можем сказать, что воздух имеет свой вес. Как же его определить? Для этого нам нужно знать его массу (вспоминаем формулу $P=gm$).

Как можно определить массу воздуха?
Чтобы найти массу воздуха, рассмотрим интересный опыт (рисунок 2). У нас есть открытый стеклянный шар. Положим его на чашу весов и уравняем со второй чашей, на которую поставим гири. Теперь весы находятся в равновесии (рисунок 2, а).

Теперь закроем шар зажимом и с помощью насоса удалим из него воздух. Отсоединим насос, плотно закрыв шар (рисунок 2, б).

Теперь снова поставим шар на весы. На рисунке 2, в мы видим, что равновесие весов нарушилось и пустой шар весит меньше гирь на другой чаше. Теперь мы можем выровнять чаши весов с помощью дополнительных гирь. Получается, что масса воздуха, заполнявшего шар, равна массе дополнительных гирь.

Проводя подобные опыты, ученые выяснили, что масса воздуха объемом $1 \space м^3$ при температуре $0 \degree C$ и при нормальном атмосферном давлении составляет $1.29 \space кг$.

Вычислим вес этого воздуха по формуле $P = gm$:
$P = 9.8 \frac{Н}{кг} \cdot 1.29 \space кг \approx 13 \space Н$.

{"questions":[{"content":"Из-за чего воздух имеет свой вес?[[choice-7]]","widgets":{"choice-7":{"type":"choice","options":["Из-за действия на него силы тяжести","Из-за межмолекулярных взаимодействий","Из-за воздушных течений"],"answer":[0]}}}]}

Атмосферное давление и воздушная оболочка Земли

Что же такое «атмосферное давление»? Вследствие чего оно создается?

Так как сила тяжести действует на все слои атмосферы, верхние слои сжимают нижние. Поэтому нижний воздушный слой, прилегающий к Земле, сжат больше всего (рисунок 3). Согласно закону Паскаля этот слой передает производимое на него давление одинаково по всем направлениям.

В результате этого земная поверхность и все тела, находящиеся на ней, испытывают давление всех слоев воздуха или испытывают атмосферное давление.

Атмосферное давление — это давление всей толщи воздуха, которое испытывает земная поверхность и все находящиеся на ней тела.

{"questions":[{"content":"Давление всех слоев воздуха, которое испытывают все находящиеся на Земле тела, называется[[choice-10]]","widgets":{"choice-10":{"type":"choice","options":["атмосферным","общим","Весовым","гравитационным"],"answer":[0]}}}]}

Как мы уже знаем, молекулы газов, составляющих атмосферу Земли (21% кислорода, 78% азота, 1% другие газы), находятся в беспорядочном и непрерывном движении, поэтому они не падают на поверхность Земли. Но тогда почему они не улетают в космическое пространство?

Однако это различие в плотности будет столь мало, что его почти всегда можно не учитывать. Атмосфера же простирается на несколько тысяч километров — различия в плотности воздуха будут существенными.

{"questions":[{"content":"Почему можно не учитывать различия в плотности для газа в закрытом сосуде?[[choice-14]]","widgets":{"choice-14":{"type":"choice","options":["Потому что эти различия очень малы","Потому что на газ действует атмосферное давление","Эти различия необходимо учитывать всегда"],"answer":[0]}}}]}

Опыты

Рассмотрим ряд опытов, которые демонстрируют явление атмосферного давления.

Опыт №1

Один из интереснейших опытов, доказывающих существование атмосферного давления, осуществил немецкий физик Отто фон Герике в далеком 1654 году в городе Магдебурге.

Он сложил вместе два металлических полушария и выкачал из полости между ними весь воздух. Восемь пар лошадей тянули в разные стороны, пытаясь разорвать полушария, но атмосферное давление так сильно прижало их друг к другу, что они так и остались сцепленными. Когда же внутрь полушарий снова запустили воздух, они распались без единого внешнего усилия.

Опыт №2

На рисунке 4 изображена стеклянная трубка с расположенным внутри нее поршнем. Трубка частично опущена в воду. Если мы начнем поднимать поршень, то за ним будет подниматься вода. Почему так происходит?

При подъеме поршня между ним и водой образуется безвоздушное пространство, в которое поднимается вода под давлением воздуха снаружи.

Какое физическое явление мы используем, набирая лекарства пипеткой? То же самое атмосферное давление, что и в опыте с трубкой и поршнем. Именно по такому принципу работают не только пипетки, но и шприцы, насосы.

Опыт №3

Теперь возьмем небольшой сосуд. Закроем его пробкой, в которую вставлена трубка с краном. Откачаем из этого сосуда воздух и закроем кран. Опустим конец трубки в воду (рисунок 5).

Когда мы откроем кран, вода с напором брызнет внутрь сосуда. Произойдет это под действием атмосферного давления, ведь оно больше давления разреженного воздуха в сосуде.

Применение атмосферного давления в природе

Атмосферное давление также используется животными в дикой природе.

Например, мухи и древесные лягушки могут держаться на вертикальных поверхностях благодаря маленьким присоскам, в которых создается разрежение, и атмосферное давление удерживает присоску на поверхности.

Слон же использует атмосферное давление, когда пьет: он опускает хобот и втягивает воздух. Под действием атмосферного давление хобот наполняется водой.

Упражнения

Посмотреть ответ

Скрыть

Дано:
$V = 1 \space м^3$
$\rho = 1.29 \frac{кг}{м^3}$
$g = 9.8 \frac{Н}{кг}$

$P — ?$

Посмотреть решение и ответ

Скрыть

Задания

Дано:
$\rho = 1.29 \frac{кг}{м^3}$
$a = 3 \space м$
$b = 6 \space м$
$c = 5 \space м$
$g = 9.8 \frac{Н}{кг}$

$m — ?$
$P — ?$

Посмотреть решение и ответ

Скрыть

Посмотреть ответ

Скрыть

Посмотреть ответ

Скрыть

Посмотреть ответ

Скрыть