§ 27. Атмосфералық қысым
Физика, 7 сынып. Оқулық: Кронгарт Б.А. және т.б. (Мектеп, 2025). 6 тарау: Қысым. 138–141-беттер.
Нені үйренесің
- Атмосфералық қысымның қайдан пайда болатынын түсіндіруді.
- Оны дәлелдейтін тәжірибелерді сипаттауды: таразыдағы колба, қалпақ астындағы әуе шары, магдебург жартышарлары.
- Торричелли тәжірибесі туралы айтып, «мм сын. бағ.» бірлігін қолдануды.
- Қалыпты атмосфералық қысым деген не екенін және оның биіктікке қарай қалай өзгеретінін білуді.
Ой қозғау
- Жердің кез келген жерінде оған не қысым түсіреді? Оның үстінде тұрған бәрі: адамдар, ғимараттар және Жерді атмосфера қабатымен қоршап тұрған ауа.
- Сұйық пен газда қысым қайда беріледі? Барлық бағытқа бірдей (Паскаль заңы).
- Сұйық бағанының қысымын қалай есептейді? $p=\rho gh$.
- Ауаның массасы бар ма? Бар! Бір литр ауа шамамен 1,3 г тартады. Мұны қалай дәлелдегенін төменнен көресің.
Тақырыпты талдаймыз
Ауа ауыр
Жерді ауа қабығы — атмосфера қоршап тұр. Ауа салмақсыз сияқты көрінеді, бірақ ол молекулалардан тұрады, ал молекулалардың массасы бар. Демек, ауаға ауырлық күші әсер етеді және ол өзінің астындағы бәріне қысым түсіреді.
🌟 1-тәжірибе. Қысқышы мен резеңке түтікшесі бар сыйымдылығы 1 л шыны колба алады, оны тығынмен тығыздап жабады. Колбаға сорғының көмегімен ауа толтырып, өлшейді. Осыдан кейін колбадағы ауаны сорып алып, колбаны қайта өлшейді: колба жеңілдейді. Айырма 1 л ауаның массасы шамамен 1,3 г екенін көрсетеді.
Ауаның қысымы қатты денелердің қысымынан өзгеше. Қатты дене тек төмен қарай қысады, ал ауа Паскаль заңы бойынша қысымды барлық бағытқа бірдей береді: төмен, жоғары және қырына.
💡 2-тәжірибе. Байланған әуе шарын ауа сорғысының тарелкесіне қойып, шыны қалпақпен жабады. Ауаны сора бастайды, шар үрленеді. Шардың сыртында ауа азайған сайын сыртқы қысым кемиді, ал ішіндегі қысым бұрынғы қалпында қалып, оны үрлейді.
📌 Атмосфералық қысым — Жердің ауа қабығының Жер бетіне және ондағы денелерге түсіретін қысымы.
Магдебург жартышарлары
1654 жылы неміс физигі Отто фон Герике Магдебург қаласында екі үлкен болат жарты сфераны бір-біріне нығыздап жапсырып, ішінен ауаны сорып алды. Сыртынан ауа оларды барлық жақтан қысты, ал ішінен қысымы дерлік жоқ еді. Әртүрлі жаққа тартқан бірнеше жұп ат жартышарларды ажырата алмады. Бұл тәжірибені «магдебург жартышарлары» деп атады.
🌟 Жартышарларды аттармен ажырату тәжірибесін Қазақстанда ғылыми мейрамдарда да көрсетеді: бұл көкпардан кем әсер қалдырмайды.
Торричелли ауа қысымын өлшеді
Атмосфералық қысымның сандық мәнін 1643 жылы алғаш рет итальяндық физик Эванджелиста Торричелли (1608—1647) өлшеген. Ол өзінің ұстазы Г. Галилейдің тапсырмасы бойынша мынадай тәжірибе жасады.
Ол ұзындығы 1 м бір жағы бітеу шыны түтік алып, оны сынаппен толтырды. Саусағымен ашық жағын жауып, түтікті аударып, сынап құйылған тостағанға ашық ұшымен батырды. Түтіктің сынап ішіне салған жағының аузын ашқанда, сынаптың азғантай бөлігі тостағанға төгіліп, түтікте биіктігі шамамен 760 мм сынап бағаны қалды. Сынап үстіндегі түтікте — бостық.
Бағанды бағанның қысымы тостағандағы сынап бетіне түсетін атмосфералық қысыммен теңесетіндіктен ұстап тұр. Егер түтікті еңкейтсек, сынап бағанының тік бойынша биіктігі өзгермей, 760 мм болып қалады.
📌 Торричелли тәжірибесінің арқасында физикаға қысымды өлшеудің жүйеден тыс бірлігі — мм сын. бағ. енгізілді: 1 мм сын. бағ. = 133 Па.
| Шама | Белгіленуі | Бірлігі |
|---|---|---|
| Атмосфералық қысым | $p_{\text{атм}}$ | Па (ХБЖ-де), мм сын. бағ. (жүйеден тыс) |
| Сынап бағанының биіктігі | $h$ | мм |
| Сынаптың тығыздығы | $\rho$ | $13,600,\text{кг/м}^3$ |
📌 Қалыпты атмосфералық қысым деп биіктігі 760 мм сынап бағанының қысымына тең атмосфералық қысымды айтады.
⚠️ Жиі кететін қате. «мм сын. бағ.» бірлігін ұзындықпен шатастырады. Сынап бағанының миллиметрлері биіктікті емес, қысымды өлшейді. Паскальмен салыстыру үшін әрқашан 133-ке көбейт.
Ауа қысымы неге тәуелді
Жер атмосферасында үнемі әртүрлі процестер өтіп жатады: ауа массаларының қозғалысы, жауын-шашын, Күн энергиясы есебінен ауаның қызуы және салқындауы. Сондықтан бір жерде қысым үнемі аздап өзгеріп тұрады. Ауа райынан басқа, ол биіктікке де тәуелді. Мұны 1647 жылы Блез Паскаль анықтады: ол сынапты барометрмен таудың етегінде және басында қысымды өлшеді. Басында қысым аз болып шықты.
📌 Шамамен әр 12 м көтерілген сайын қысым 1 мм сын. бағ.-на азаяды. Бұл — төмен биіктіктер үшін жуық ереже: биіктеген сайын үстіңдегі ауа аз болады.
Қазақстан үшін шамалап көрейік. Каспий теңіз деңгейіне жақын жатыр: шамамен 760 мм сын. бағ. Алматыда (теңіз деңгейінен шамамен 800 м) қысым $\frac{800}{12}\approx67$ мм-ге төмен, яғни шамамен 693. Медеу мұз айдынында (шамамен 1700 м) $\frac{1700}{12}\approx142$ мм-ге төмен, яғни шамамен 618.
| Биіктік, км | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
|---|---|---|---|---|---|
| Қысым, мм сын. бағ. (12 м ережесі бойынша) | 760 | 677 | 593 | 510 | 427 |
🌟 Біздің ағзамыз қысымға бейімделген. Бірақ кейбір адамдарға қысымның күрт өзгеруі бас ауруын және бас айналуын тудырады. Альпинистер үлкен биіктікте оттегі маскасымен тыныс алады: ол жерде ауа аз.
⚠️ Жиі кететін қате. «12 м-ге 1 мм» ережесі тек төмен биіктіктерде (алғашқы бірнеше шақырымда) жұмыс істейді. Эверест биіктігінде қысым бұл формуламен есептегендей азаймайды.
👨👩👧 Ата-анаға. Баламен үйде раковинаның үстінде № 5 жаттығудағы стақан мен қағаз тәжірибесін жасаңыз. Содан кейін су неге төгілмегенін айтып берсін. Атмосфералық қысымды түсінудің ең жақсы жолы осы.
Өзіңді тексер
- Қандай қысымды атмосфералық қысым деп атайды және ол неліктен пайда болады? Жердің ауа қабығының Жер бетіне және ондағы денелерге түсіретін қысымы. Ол ауаның массасы болғандықтан және оны Жер өзіне тартатындықтан пайда болады.
- Атмосфералық қысымның бар болуын қалай дәлелдеуге болады? Тәжірибелермен: таразыдағы ауасы бар колба, ауа сорғысының қалпағы астындағы шар, магдебург жартышарлары, Торричелли тәжірибесі.
- 1 мм сын. бағ. дегеніміз не? Қысымның жүйеден тыс өлшем бірлігі. $1,\text{мм сын. бағ.}=133,\text{Па}$.
- Қандай қысымды қалыпты атмосфералық қысым деп атайды? Биіктігі 760 мм сынап бағанының қысымына тең қысымды (шамамен 101 кПа).
- Атмосфералық қысым қандай шамаларға тәуелді? Теңіз деңгейінен биіктікке (биіктеген сайын азаяды) және ауа райына: ауа температурасына және ауа массаларының қозғалысына.
- Көп қабатты зәулім үйдің бірінші қабаты мен үстіңгі қабатындағы атмосфералық қысым бірдей бола ма? Жоқ: үстіңгі қабатта қысым сәл аз, өйткені оның үстінде ауа бағаны төмен.
Жаттығуларды шығарамыз
Түсіндіріңдер
№ 1
«Түсіндіріңдер», 1-есеп. Неліктен аударылып қалған құмырадан су бүлкілдеп төгіледі, ал резеңке медициналық жылытқыштан бірқалыпты ағып шығады?
Қалай ойлаймыз. Судың үстінен не қысатынын және су шыққанда бос орынның қайда кететінін ойла.
Жауап үлгісі. Су қатты құмырадан шыққанда, оның ішіндегі көлемді бірдеңемен толтыру керек. Ауа сол мойын арқылы көпіршіктермен кіреді, сондықтан су бүлкілдеп төгіледі. Резеңке жылытқыш жұмсақ: сыртқы атмосфералық қысым оның қабырғаларын қысады, су шыққан сайын ол кішірейеді. Ішке ауа кіруі қажет емес, сондықтан ағыс бірқалыпты.
Жауабы: құмыраға ауа көпіршіктермен кіреді (ығыстыру ағысты үзеді), ал жылытқышты атмосфералық қысым қысады, сондықтан су тұтас ағынмен ағады.
№ 2
«Түсіндіріңдер», 2-есеп. ⭐ күрделілігі жоғары есеп. Торричелли түтігінің әртүрлі биіктіктерінде диаметрлері кішкентай тесіктер бар делік. Осы кезде нені байқауға болады?
Қалай ойлаймыз. Түтіктің сынап үстіндегі жерінде бостық, қысым онда нөлге жуық. Тесік жасасақ, сыртқы ауа ішке кіре алады.
Жауап үлгісі. Түтік ішінде кез келген $h$ биіктікте сынаптың қысымы атмосфералықтан аз: ол $p_{\text{атм}}-\rho gh$ болады. Тесік арқылы сыртқы ауа $p_{\text{атм}}$ қысыммен түтікке кіреді. Тесіктен төмен жатқан сынап үстінен де, астынан да бірдей ауа қысымында қалады, ол тостағанға ағып, оның деңгейімен теңеседі. Тесіктен жоғары жатқан сынапты ауа бітеу жоғарғы ұшқа қысады, баған бұрынғы биіктікте тұрмайды.
Жауабы: тесік арқылы ауа кіреді, сынап тостағандағы сынап деңгейіне дейін төмендейді (қалған бөлігі бітеу ұшқа қысылады): түтік барометр ретінде жұмыс істемейді.
Талдаңдар
№ 3
«Талдаңдар», 1-есеп. Гидростатикалық қысымның формуласын пайдаланып, биіктігі 1 мм түтіктегі сынап бетіне түсіретін атмосфералық қысымның 133 Па болатынын дәлелдеңдер. Сынаптың тығыздығы $\rho=13,600,\frac{\text{кг}}{\text{м}^3}$.
Қалай ойлаймыз. Сұйық бағанының қысымын $p=\rho gh$ бойынша есептейміз. Биіктікті метрге айналдырамыз.
Шешуі. Берілгені: $h=1,\text{мм}=10^{-3},\text{м}$, $\rho=13,600,\text{кг/м}^3$, $g=9{,}8,\text{м/с}^2$. $p=\rho gh=13,600\cdot9{,}8\cdot10^{-3},\text{Па}\approx133,\text{Па}$. Егер $g=10,\text{м/с}^2$ алсақ, $136,\text{Па}$ шығады, ол да жуық. 133 саны нақты $g=9{,}8$ кезінде шығады.
Жауабы: $p\approx133,\text{Па}$.
№ 4
«Талдаңдар», 2-есеп. Судың ішінде тұрған тиынды ішіне сіріңке жағылған төңкерілген стақанның көмегімен алуға болады (27.5-сурет). Осы тәжірибені түсіндіріңдер.
Қалай ойлаймыз. Стақандағы ауаға қыздырғанда, содан кейін салқындағанда не болғанын қадағала.
Жауап үлгісі. Жанып тұрған сіріңкелер стақандағы ауаны қыздырады, ол ұлғаяды да, бір бөлігі шығып кетеді. Стақанды тез тарелкеге төңкереді, ішіндегі ауа суиды, оның қысымы атмосфералықтан аз болады. Сыртқы атмосфералық қысым суды стақанның астына итеріп кіргізеді. Тиын тарелканың түбінде құрғақ қалады, оны қолмен алуға болады.
Жауабы: стақандағы ауа суыды, стақан астындағы қысым азайды, ал атмосфералық қысым суды стақанның ішіне итеріп кіргізді.
⚠️ Отпен жасалатын тәжірибені тек ересек адаммен бірге және қауіпсіз бетте жаса.
Тәжірибе жасаңдар
№ 5
«Тәжірибе жасаңдар», 1-есеп. ⭐ күрделілігі жоғары есеп. Қарапайым тәжірибе жүргізейік. Суы бар стақан алып, оны дәптер парағымен жабайық. Осыдан кейін дәптер парағын қолымызбен ұстап тұрып, стақанды төңкерейік (27.6-сурет). Қолыңды ал. Су стақаннан төгілмейді. Неге? Тәжірибенің нәтижесін түсіндіріңдер.
Қалай ойлаймыз. Қағазға астынан және үстінен әсер ететін күштерді салыстыр.
Не істеу керек. Стақанды ернеуіне дейін сумен толтыр, жиегін сулап, бүктеусіз тегіс парақпен жап, алақанмен қысып, тез төңкер. Мұны раковинаның немесе леген үстінде жаса: болмай қалса, су төгіліп кетпесін. Алақанды баяу ал.
Шешуі. Астынан қағазға ауа қысады: қысымы шамамен $10^5,\text{Па}$ (ол барлық бағытқа, соның ішінде жоғары қарай да беріледі). Үстінен су бағаны қысады: биіктігі 10 см болса, $p=\rho gh=1000\cdot10\cdot0{,}1=1000,\text{Па}$, яғни 100 есе аз. Астындағы ауа күштірек және қағазды стақанға қысады. Қағаз астындағы стақанда қысымды «теңестіретін» ауа дерлік жоқ.
Жауабы: парақ ұсталып тұр, өйткені астынан түсетін атмосфералық қысым үстінен түсетін су бағанының қысымынан әлдеқайда көп. Егер парақ жабысуын жоғалтып, стақанға ауа кірсе, су төгіледі.
Жадынама
- Ауаның массасы бар: 1 л шамамен 1,3 г.
- Ауа қысымы барлық бағытқа бірдей беріледі.
- Торричелли түтігін еңкейтсең, баған биіктігі өзгермейді.
- Қысым биіктікке және ауа райына тәуелді.