§ 28. Измерение атмосферного давления
Физика, 7 класс. Учебник: Кронгарт Б.А. и др. (Мектеп, 2025). Глава 6: Давление. Страницы 141–143.
Чему научишься
- Называть приборы, которыми измеряют атмосферное давление.
- Объяснять, как устроен и как работает ртутный барометр.
- Объяснять, как устроен и как работает барометр-анероид.
- Понимать, зачем нужен альтиметр и почему давление «выдаёт» высоту.
- Читать показания барометра в мм рт. ст. и переводить их в паскали.
Разминка
- Что создаёт атмосферное давление? Воздушная оболочка Земли: воздух имеет вес и давит на всё, что в нём находится.
- Чему равно нормальное атмосферное давление? 760 мм рт. ст., это примерно $101,300,\text{Па}$.
- Кто первым измерил атмосферное давление? Итальянец Торричелли: он перевернул трубку с ртутью в чашку, и столбик остановился на высоте около 760 мм.
- Давление в горах больше или меньше, чем в долине? Меньше: чем выше, тем меньше воздуха над тобой.
💡 Атмосферное давление всё время «гуляет»: меняется с погодой и с высотой. Значит, нужен прибор, который показывает его прямо сейчас.
Разбираемся
Мы живём на дне воздушного океана
Воздух давит на нас со всех сторон, и организм привык его уравновешивать. Но если давление резко меняется, некоторым людям становится плохо: болит голова, кружится голова, учащается дыхание. Поэтому метеорологи следят за давлением каждый день, а альпинисты берут с собой кислородные маски.
Приборы для измерения атмосферного давления называются барометрами. Их два главных вида: ртутный и анероид.
Ртутный барометр: трубка Торричелли со шкалой
Это та самая трубка Торричелли, только оформленная как прибор. Стеклянная трубка запаяна сверху, внизу она опущена в сосуд с ртутью. Рядом стоит шкала.
На открытую поверхность ртути в сосуде давит атмосфера. Ей «отвечает» давление столба ртути в трубке. Если воздух давит сильнее, столбик растёт, если слабее, опускается. Высоту столбика читают по шкале, и она прямо равна давлению в мм рт. ст.
📌 Давление столба ртути: $p=\rho g h$, где $\rho=13,600,\text{кг/м}^3$. При $h=0{,}76,\text{м}$ получаем $p\approx 13,600\cdot 9{,}8\cdot 0{,}76\approx 101,300,\text{Па}$.
| величина | обозначение | единица СИ |
|---|---|---|
| давление | $p$ | паскаль, $\text{Па}$ |
| плотность ртути | $\rho$ | $\text{кг/м}^3$ |
| ускорение свободного падения | $g$ | $\text{м/с}^2$ (около $9{,}8$) |
| высота столба | $h$ | метр, $\text{м}$ |
Ртутный барометр очень точный, но он громоздкий и хрупкий: стеклянная трубка почти метровой длины, да ещё и ртуть (она ядовита). Поэтому им пользуются в лабораториях и на метеостанциях, а в походе он неудобен.
⚠️ Частая ошибка. Путают «высоту столбика» и «давление». Столбик 760 мм не значит, что давление равно 760 Па. Это 760 «миллиметров ртутного столба», а в паскалях получится около 101 300.
Барометр-анероид: коробочка вместо жидкости
Слово «анероид» по-гречески значит «безжидкостный». Внутри нет ни ртути, ни воды. Вот что там есть:
- металлическая коробочка с волнистой (гофрированной) стенкой, из которой выкачан воздух;
- пружина, которая не даёт атмосфере сплющить коробочку;
- передаточный механизм с осью и стрелкой;
- шкала, проградуированная по ртутному барометру.
Анероид маленький, лёгкий и не боится тряски. Его берут с собой в поход, ставят на яхтах, подводных лодках и в самолётах.
🌟 Барометр можно превратить в прибор для измерения высоты. Если шкалу проградуировать не в мм рт. ст., а в метрах подъёма, получится альтиметр. Он стоит на каждом самолёте и у парапланеристов: чем выше, тем меньше давление, значит, по давлению можно узнать высоту.
Давление «выдаёт» высоту
Чем выше поднимаешься, тем ниже атмосферное давление. Примерно до нескольких километров над уровнем моря давление падает на 1 мм рт. ст. на каждые 12 м подъёма.
Ниже стандартные значения давления на разной высоте.
| высота, км | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| давление, мм рт. ст. | 760 | 674 | 596 | 526 | 462 | 405 |
Например, Медеу лежит примерно на высоте 1700 м, там давление около 620 мм рт. ст. А Байконур расположен на равнине почти на уровне моря, поэтому там около 760.
👨👩👧 Родителю. Если дома есть барометр или метеостанция с датчиком давления, покажите ребёнку, как стрелка меняется с погодой. Падение давления обычно предвещает дождь, рост даёт ясную погоду. Это хороший способ связать физику с реальной жизнью.
Какая жидкость «чувствительнее»
Допустим, давление выросло на 10 мм рт. ст. Ртутный столбик вырастет на 10 мм. А если налить в трубку лёгкое масло, оно в 15 раз легче ртути, значит, нужный столб будет в 15 раз выше: сдвиг уже 150 мм, это легко заметить. Правда, весь масляный барометр высотой больше 11 метров, так что его не повесишь на стену.
Чем легче жидкость, тем выше столб. Именно поэтому в барометрах используют тяжёлую ртуть: прибор получается компактным.
Проверь, как понял
Проверь себя
- Как называются приборы для измерения атмосферного давления? Барометры. Бывают ртутные и анероиды.
- Как устроен и как работает ртутный барометр? Трубка Торричелли (запаянная сверху стеклянная трубка с ртутью) опущена в сосуд с ртутью, рядом шкала. Атмосферное давление на ртуть в сосуде уравновешивается давлением столба ртути в трубке. Высота столба по шкале показывает давление; при изменении давления высота столба меняется.
- Как устроен и как работает барометр-анероид? Внутри гофрированная металлическая коробочка без воздуха, пружина, передаточный механизм, ось со стрелкой и шкала. Давление воздуха сжимает коробочку, при росте давления стрелка поворачивается в одну сторону, при падении в другую; шкалу градуируют по ртутному барометру.
- Какой барометр чувствительнее: ртутный или масляный? Ответ обоснуйте. Масляный. Масло много легче ртути (в 15 раз), поэтому столбик масла при том же изменении давления меняется по высоте гораздо сильнее, и изменение лучше видно. Минус: масляный барометр очень высокий (больше 11 м).
Решаем упражнения
Объясните
№ 1
«Объясните». Почему нагнетательный насос не может поднять воду на высоту более 10 м?
Как думать. Что держит воду в трубе насоса снизу? Атмосферное давление. А какой столб воды оно способно уравновесить? Это то же самое, что столб ртути в барометре, только вода гораздо легче.
Пример ответа. Насос не «тянет» воду, воду толкает вверх атмосферное давление, когда под поршнем создаётся разрежение. Атмосферное давление может уравновесить столб воды высотой $h=\frac{p}{\rho g}=\frac{101,300,\text{Па}}{1000,\text{кг/м}^3\cdot 9{,}8,\text{м/с}^2}\approx 10{,}3,\text{м}$. Выше воде подняться не даёт то, что давление столба воды становится равным атмосферному. На практике получается около 8–9 м из-за потерь.
Ответ: воду поднимает атмосферное давление, а оно уравновешивает столб воды высотой около 10 м, выше воздух воду «выдавить» не может.
Анализируйте
№ 2
«Анализируйте», задача 1. ⭐ задача повышенной сложности. Можно ли измерить давление воздуха в кабине космического корабля ртутным барометром? Барометром-анероидом?
Попробовать такую задачу стоит уже за смелость: ты применяешь физику к космосу.
Как думать. Что нужно, чтобы столбик ртути стоял в трубке? Нужна сила тяжести, а на орбите невесомость. А анероиду нужна только разность давлений снаружи и внутри коробочки.
Решение. В невесомости ртуть не имеет веса: она не будет давить вниз и не будет «стоять» столбиком в трубке. Значит, высота столбика ничего не покажет. Ртутный барометр работать не будет. Анероид не использует вес жидкости: воздух давит на коробочку, а упругость пружины возвращает её обратно. Значит, он работает и в невесомости.
Ответ: ртутным барометром нельзя, барометром-анероидом можно.
№ 3
«Анализируйте», задача 2. ⭐ задача повышенной сложности. Команда Кусто вытащила на палубу с большой глубины рыбу. Подумайте, что произойдёт с рыбой.
Жак-Ив Кусто был французским исследователем океана. Подумай: как давление воды на глубине отличается от давления на палубе?
Как думать. Глубоко под водой давление огромное: оно растёт на 1 атмосферу каждые 10 м. Рыба внутри «подстроена» под это давление: в её организме давление внутри такое же, как снаружи. Что случится, если снаружи оно резко упадёт?
Пример ответа. На палубе давление гораздо меньше, а внутри рыбы осталось прежнее, высокое. Газы в плавательном пузыре и тканях расширяются, пузырь раздувается, глаза выпучиваются, внутренние органы могут не выдержать. Рыба обычно погибает: разница давлений разрывает ткани.
Ответ: рыба погибнет: давление внутри неё окажется намного больше внешнего, газы в организме расширятся, и это повредит органы (раздувшийся пузырь, выпученные глаза).
Шпаргалка
- Столб ртути уравновешивает атмосферу: $p=\rho g h$.
- Ртутный барометр точный, но хрупкий и громоздкий; анероид компактный и удобный.
- Давление падает с высотой, поэтому барометр можно использовать как высотомер.
- Чем легче жидкость, тем выше столб, который уравновешивает атмосферу.