Открытый урок по физике в 7-м классе "Измерение атмосферного давления. Опыт Торричелли. Барометр анероид"

Основные знания и умения:

1. Знать значение нормального атмосферного давления.
2. Уметь определять атмосферное давление с помощью барометра-анероида.

Оборудование: стакан, вода, листы бумаги, спички, колба с подкрашенной жидкостью, бутылка стеклянная, куриное яйцо (сваренное вкрутую), блюдце, монета, пипетка, шприц, таблица “опыт Э.Торричелли”, барометр-анероид.

Демонстрации: работа шприца и пипетки; удерживание тетрадным листом воды в перевернутом стакане; вдавливание вареного яйца внутрь бутылки; как можно достать моменту из воды, не замочив рук; работа барометра.

Мотивация познавательной деятельности учащихся.

Атмосферное давление является одним из основных факторов, определяющих состояние погоды и климата, поэтому знания об атмосферном давлении необходимы в прогнозировании погоды. Большое практическое значение имеет умение измерить атмосферное давление. Эти знания необходимы в медицине, в технологических процессах и жизнедеятельности живых организмов.

Межпредметные связи:

• с математикой (работа со степенями, задача на математические действия);
• с историей (история открытия атмосферного давления, факты из жизни Торричелли);
• с биологией (атмосферное давление и жизнедеятельность организмов);
• с географией (давление на различных высотах на Земле).

Ход урока

1. Оргмомент: (2 мин.)

• приветствие;
• проверка отсутствующих;
• несколько слов о предстоящем уроке (постановка задачи).

2. Проверка знаний, умений и навыков учащихся по предыдущим темам (13 мин.)

Фронтальный опрос: (5 мин.)

– Что такое давление? (Давление – это физическая величина, равная отношению силы, действующей на тело к площади этой поверхности
p = F/S)

– В каких единицах выражается давление в СИ? (1 Па = 1Н/1 м²)

– От чего зависит давление, оказываемое жидкостями и газами? (От рода вещества и высоты столба; формула p = ρgh)

– Что называется атмосферой? (Атмосфера – воздушная оболочка Земли)

– Что называется атмосферным давлением? (Атмосферное давление – давление атмосферы или воздушной оболочки Земли)

– Почему существует воздушная оболочка Земли? (На молекулы воздуха действует сила тяжести. Чтобы выйти за пределы притяжения Земли, необходимо развить очень большую скорость – 11,2 км/с. Скорость большинства молекул значительно меньше)

Демонстрация и объяснение принципа действия пипетки и шприца. (Если поднимать поршень шприца, за ним будет подниматься вода, т.к. между ним и водой образуется безвоздушное пространство, в которое под давлением наружного воздуха поднимается вода) (2 мин.)

Решить задачу: (5 мин.)

Л.№ 530 “Определите высоту уровня воды в водонапорной башне, если манометр, установленный у ее основания, показывает давление
220000 Па”

Дано: ρ = 1000 κг/м3 g ≈ 10 Н/кг p = 220000 Па h – ?

Анализ p = ρgh h = p/ρg

Решение h = 220000/(1000*10) = 22 (м) h[Па/(кг/м3)*(Н/кг)] = Н/м2/Н/м3 = м Ответ: h = 22 м.

3. Объяснение нового материала. (15 мин.)

1. Историческая справка. (2 мин. )

Эванджелиста Торричелли родился 15 октября 1608 г. в небольшом итальянском городе Фаэнца в небогатой семье. Воспитание получил у дяди, бенедиктинского монаха. Дальнейшая жизнь в Риме и общение с известным математиком (учеником Галилея) Кастелли способствовали развитию таланта Торричелли. Большинство трудов ученого по большей части оставались неопубликованными. Торричелли является одним из создателей жидкостного термометра.

Но наиболее известным экспериментальным исследованием Торричелли являются его опыты со ртутью, доказавшие существование атмосферного давления. Заслугой ученого является то, что он решил перейти к жидкости, обладающей большей плотностью, чем вода, – к ртути. Это позволило сделать опыты относительно легко воспроизводимыми. Однако не следует думать, что в середине XVII в. постановка и воспроизведение опытов Торричелли были простым делом. В те времена было довольно трудно изготовить необходимые стеклянные трубки, о чем свидетельствуют неудачи некоторых ученых в постановке аналогичных опытов независимо от Торричелли.

2. Основной материал. (5 мин.)

Рассчитать атмосферное давление по формуле для вычисления давления столба жидкости (§ 38) нельзя. Для такого расчета надо знать высоту атмосферы и плотность воздуха. Но определенной границы у атмосферы нет, а плотность воздуха на разной высоте различна. Однако измерить атмосферное давление можно с помощью опыта, предложенного в XVII в. итальянским ученым Эванджелиста Торричелли, учеником Галилея.

Опыт Торричелли состоит в следующем: стеклянную трубку длиной около 1 м, запаянную с одного конца, наполняют ртутью. Затем, плотно закрыв другой конец трубки, ее переворачивают, опускают в чашку с ртутью и под ртутью открывают конец трубки (рис. 1). Часть ртути при этом выливается в чашку, а часть ее остается в трубке. Высота столба ртути, оставшейся в трубке, равна примерно 760 мм. Над ртутью в трубке воздуха нет, там безвоздушное пространство. Торричелли, предложивший описанный выше опыт, дал и его объяснение. Атмосфера давит на поверхность ртути в чашке. Ртуть находится в равновесии. Значит, давление в трубке на уровне аа1 (рис.1) равно атмосферному давлению. Если бы оно было больше атмосферного, то ртуть выливалась бы из трубки в чашку, а если меньше, то поднималась бы в трубке вверх. Торричелли Эванджелиста (1608–1647}. Измерил атмосферное давление, разработал ряд вопросов в физике и математике

Давление в трубке на уровне аа₁ создается весом столба ртути в трубке, так как в верхней части трубки над ртутью воздуха нет. Отсюда следует, что атмосферное давление равно рис.1 давлению столба ртути в трубке, т. е.:
Р_атм ⁼ Р_ртути

Измерив высоту столба ртути, можно рассчитать давление, которое производит ртуть. Оно и будет равно атмосферному давлению. Если атмосферное давление уменьшится, то столб ртути в трубке Торричелли понизится.

Чем больше атмосферное давление, тем выше столб ртути в опыте Торричелли. Поэтому на практике атмосферное давление можно измерять высотой ртутного столба (в миллиметрах или сантиметрах). Если, например, атмосферное давление равно 780 мм рт. ст., то это значит, что воздух производит такое же давление, какое производит вертикальный столб ртути высотой 780 мм.

Следовательно, в этом случае за единицу атмосферного давления принимают 1 миллиметр ртутного столба (1 мм рт. ст.). Найдем соотношение между этой единицей и известной нам единицей давления – Паскалем (Па).

Давление столба ртути ρ_ртути высотой 1 мм равно:

p = gph, p = 9,8 * 13 600 * 0,001 м ≈ 133,3 Па.

Итак, 1 мм рт. ст. = 133,3 Па.

В настоящее время атмосферное давление принято измерять и в гектопаскалях. Например, в сводках погоды может быть объявлено, что давление равно 1013 гПа, это то же самое, что 760 мм рт. ст.

Наблюдая ежедневно за высотой ртутного столба в трубке, Торричелли обнаружил, что эта высота меняется, т. е. атмосферное давление непостоянно, оно может увеличиваться и уменьшаться. Торричелли заметил также, что изменения атмосферного давления связаны с изменением погоды.

Если к трубке с ртутью, использовавшейся в опыте Торричелли, прикрепить вертикальную шкалу, то получится простейший прибор — ртутный барометр (от греч. барос – тяжесть, метрео – измеряю). Он служит для измерения атмосферного давления.

3. Демонстрация опыта со стаканом и листом бумаги. (1 мин.)

4. Фронтальный опыт : предложить учащимся взять чистый лист бумаги, приложить ко рту и сделать глубокий вздох. Что происходит? Объяснить. (2 мин.)

5. Барометр-анероид. (3 мин.)

В практике для измерения атмосферного давления используют металлический барометр, называемый анероидом (в переводе с греческого – безжидкостный. Так барометр называют потому, что он не содержит ртути).

Внешний вид анероида изображен на рисунке 2. Главная часть его — металлическая коробочка 1 с волнистой (гофрированной) поверхностью (рис. 3). Из этой коробочки выкачан воздух, а чтобы атмосферное давление не раздавило коробочку, ее крышку пружиной 2 оттягивают вверх. При увеличении атмосферного давления крышка прогибается вниз и натягивает пружину. При уменьшении давления пружина выпрямляет крышку. К пружине с помощью передаточного механизма 3 прикреплена стрелка-указатель 4, которая передвигается вправо или влево при изменении давления. Под стрелкой укреплена шкала, деления которой нанесены по показаниям ртутного барометра. Так, число 750, против которого стоит стрелка анероида (см. рис. 2), показывает, что в данный момент в ртутном барометре высота ртутного столба 750 мм.

Следовательно, атмосферное давление равно 750 мм рт. ст., или ≈ 1000 гПа.

Знание атмосферного давления весьма важно для предсказывания погоды на ближайшие дни, так как изменение атмосферного давления связано с изменением погоды. Барометр — необходимый прибор при метеорологических наблюдениях.

 

6. Демонстрация барометра. (2 мин.)

4. Закрепление. (15 мин.)

1. Для любителей географии. (2 мин.)

Граница обитания человека на высоте

В мире несколько стран (Боливия, Мексика, Перу, Эфиопия, Афганистан), в которых большинство населения проживает на высоте свыше 1 000 м над уровнем моря. В Боливии, Перу и Китае (Тибет) граница обитания человека превышает 5 000 м над уровнем моря. Ла-Пас – столица Боливии – находится на высоте 4 500 м. Это самая высокая столица государства на земном шаре. Нормальное атмосферное давление на этой высоте равно 430 мм рт. ст.

2. Для любителей биологии. (3 мин.)

Природный барометр

Налейте в пол-литровую банку полстакана воды, поместите туда пиявку и завяжите банку сверху марлей. Воду летом меняйте раз в неделю, а зимой — в две недели раз. В хорошую погоду пиявка лежит на дне, свернувшись в клубок. Перед дождем она всплывает к краю сосуда и лежит, пока погода не улучшится. Если будет ветер, то пиявка быстро плавает и успокаивается вместе с ветром. Перед бурей она конвульсивно подергивается. В морозную, ясную погоду она лежит на дне, а в снегопад – поднимается к поверхности. Все это связано с изменением атмосферного давления. При пониженном давлении (перед дождем или снегом) содержание воздуха и кислорода в воде уменьшается. В хорошую погоду давление высокое, кислорода в воде достаточно, и пиявка хорошо себя чувствует на дне. То же самое наблюдается и в природе – в водоеме.

Атмосферное давление в живой природе

Мухи и древесные лягушки могут держаться на оконном стекле благодаря крошечным присоскам, в которых создается разрежение, и атмосферное давление удерживает присоску из стекле.

Слон использует атмосферное давление всякий раз, когда хочет пить. Шея у него короткая, и он не может нагнуть голову в воду, а опускает только хобот и втягивает воздух. Под действием атмосферного давления хобот наполняется водой, тогда слон изгибает его и выливает воду в рот.

3. Для любителей литературы. (3 мин.)

а) Загадка:

На стене висит тарелка,
По тарелке ходит стрелка.
Эта стрелка наперед
Нам погоду узнает.

б) Решить задачу (Г.Остер):

№ 161. Допустим, вы в научных целях сосали колпачок от авторучки и он крепко присосался к языку. Как, не действуя руками и не пользуясь услугами лошадей, избавиться от слишком уж сильно присосавшегося к языку колпачка авторучки?

Ответ: Подняться вместе с барометром на самую высокую вершину горы. Когда стрелка барометра приблизится к нулю, колпачок сам отпадет.

4. Занимательные опыты. (5 мин.)

а) Предложить учащимся достать монету из блюдца с водой, не замочив рук.
б) Вдавливание вареного яйца в бутылку атмосферным давлением.

(Напомнить учащимся, как ставятся медицинские банки).

5. Сделать выводы о пройденном материале. (2 мин.)

5. Подведение итогов урока и выставление оценок. (1 мин.)

6. Домашнее задание : § 42, 43; упр.19(1, 2).

Решить кроссворд:

1. Единица измерения давления. 2. Ученый, впервые измеривший атмосферное давление. 3. Прибор для измерения давления. 4. Величина, характеризующая скорость движения молекул или степень нагретости тела. 5. Это слово означает “безжидкостный”. 6. Воздушная оболочка Земли. 7. Механизм, использующий два сообщающихся сосуда.

Ответы: 1 – паскаль, 2 – Торричелли, 3 – манометр, 4 – температура, 5 – анероид, 6 – атмосфера, 7 – пресс {гидравлический).

Ключевое слово: барометр.

Литература

1. А.В.Перышкин. “Физика-7”, изд. “Дрофа”.
2. В.И.Лукашик, Е.В.Иванова. “Сборник задач по физике 7–9”, изд. “Просвещение”.
3. С.Е.Полянский. “Поурочные разработки по физике 7-й класс”, изд. “ВАКО”.
4. Е.М.Гутник, Е.В.Рыбакова. “Тематическое и поурочное планирование к учебнику Н.В.Перышкина “Физика 7-й класс””, изд. “Дрофа”.
5. Л.И.Семке. “Занимательные матералы к урокам” , изд. “НЦ ЭНАС”.
6. Я.И.Перельман. “Занимательная физика”, изд. “Наука”.
7. “Методика преподавания физики в 7–8-х классах средней школы” под ред. А.В.Усовой, изд. “Просвещение”.
8. “Демонстрационные опыты по физике” под ред. А.А.Покровского, изд. “Просвещение”.
9. Г.Остер. “Задачник по физике”, изд. “Астрель”.