Использование цифровой лаборатории Relab при изучении темы «Атмосферное давление. Гидростатическое давление» в курсе физики 7-го класса

Цифровые технологии всё больше входят в нашу жизнь. Школьные кабинеты оснащаются компьютерной техникой. Начинается господство компьютерных технологий. Мы вторгаемся в виртуальное пространство всё глубже и глубже. Цифровая лаборатория Relab является одной из современных систем, способных обеспечить включение обучающихся в исследовательскую деятельность.

В современной литературе по экспериментальному изучению атмосферного давления достаточно подробно освещены следующие вопросы:

• история открытия атмосферного давления и опыт Эванджелиста Торричелли с ртутным барометром [6];
• опыты Блеза Паскаля с барометрами, содержащими воду, масло и красное вино [4];
• различные современные методы измерения атмосферного давления: с помощью барометров сифонного или чашечного типов, трубки Бурдона [5], барометра-анероида [2], в том числе методы автоматического измерения атмосферного давления с помощью барографа, сенсора на основе вибрирующего провода, ёмкостного сенсора давления, цифрового барометрического сенсора давления, пьезоэлектрического сенсора давления [5];
• принцип работы барометрического, радиотехнического и гамма-лучевого высотомеров [1];
• измерение гидростатического давления с помощью жидкостных манометров (пьезометра, открытого, дифференциального) и механических манометров (пружинно-трубчатых, мембранных, мановакууметров) [3].

Анализ литературы позволил нам определить достоинства и недостатки использования разных методов.

Так, ртутный барометр характеризуется высокой чувствительностью, точностью измерения давления 0,1 гПа, но его недостаток - токсичность ртути.

Преимуществом барометра-анероида является его компактность, механическая прочность, возможность транспортировки. Этот прибор может применяться в системах автоматического измерения давления, поскольку механические перемещения анероидных капсул легко превратить в электрический сигнал. Недостатком барометра-анероида является меньше по сравнению с ртутным барометром точность измерений.

Высокая точность измерения барометра чашечного типа (0,1 мм рт.ст.) Позволяет использовать его как стандартный прибор для проверки анероидных барометров и высотомеров.

Преимуществом трубки Бурдона является возможность измерения давлений от 1 Па и выше с точностью измерений ± 2%.

Емкостной сенсор давления характеризуются высокой чувствительностью, малыми размерами, возможностью измерений атмосферного давления при температурах до 250^o С.

Диапазон измерения давления барометрическим сенсором давления от 500 до 1100 гПа в температурном интервале от - 40^oС до + 60^oС

Преимуществом пьезоэлектрических сенсоров является компактность, линейная зависимость электрического сигнала от механической нагрузки, способность иметь высокую стабильность в широком температурном диапазоне до 1000^oС.

Барометрический высотомер, принцип действия которого основан на измерении давления атмосферы, позволяет определить барометрическую высоту, так как с увеличением высоты уменьшается и текущее атмосферное давление. Данный принцип положен в основу прибора, который на самом деле измеряет не высоту, а давление воздуха.

В отличие от барометрических высотомеров радиовысотомер измеряет истинную высоту полёта, поэтому не зависит от наличия информации о давлении воздуха, отличается также более высокой точностью. К недостаткам радиовысотомера можно отнести выраженную направленность измерений (направление луча передатчика, направленного перпендикулярно вниз). По этой причине применение радиовысотомеров эффективно только в равнинной местности и практически бесполезно в горных и сильно пересечённых районах (в крене радиовысотомер показывает завышенную высоту).

Гамма-лучевые высотомеры используются на малых высотах (метры, десятки метров от поверхности). Их основное применение - формирование исполнительного сигнала для системы мягкой посадки спускаемых аппаратов космических кораблей. К его недостаткам можно отнести повышенный уровень гамма-излучения.

Измерение атмосферного и гидростатического давления описывается в них традиционными способами. Атмосферное давление измеряется барометром-анероидом, а гидростатическое давление - открытым жидкостным манометром.

Приведём пример использования цифровой лаборатории Relab при определении зависимости атмосферного давления от высоты и факторов, влияющих на гидростатическое давление. Серия опытов, позволяет наглядно и быстро определить зависимость атмосферного давления от высоты и факторы, влияющие на гидростатическое давление с помощью датчиков атмосферного и дифференциального давления.

Тема исследования «Определение зависимости атмосферного давления от высоты и факторов, влияющих на гидростатическое давление с использованием цифровой лаборатории Relab».

Объект исследования: атмосферный воздух и жидкости различной плотности.

Предмет исследования: атмосферное и гидростатическое давление.

Цель исследования: определение зависимости атмосферного давления от высоты и факторов, влияющих на гидростатическое давление с использованием датчика атмосферного давления и датчика дифференциального давления цифровой лаборатории Relab».

Задачи исследования:

• подбор литературы по выбранной проблеме;
• изучение, анализ, обобщение литературы по проблеме;
• определение зависимости атмосферного давления от высоты и факторов, влияющих на гидростатическое давление с использованием датчика атмосферного давления и датчика дифференциального давления;
• обработка и анализ полученных материалов.

Оборудование, используемое при проведении эксперимента, указано в таблице 1.

Таблица 1. Оборудование, используемое в ходе исследования

№	Название приборов и материалов	Кол-во
1	Датчик атмосферного давления	1
2	USB кабель	1
3	Ноутбук Lenovo	1
4	Линейка	1
5	Пластиковая трубка	1
6	Мензурка (V = 250 мл)	1
7	Весы электронные	1
8	Пластиковый стакан	1
9	Соль в упаковке	1
10	Штатив с муфтой и лапкой	1
11	Фотоаппарат цифровой	1

Порядок проведения эксперимента

1. Определение зависимости атмосферного давления от высоты.

• Датчик атмосферного давления цифровой лаборатории Relab подключается к USB разъёму ноутбука Lenovo.
• Запускается программа измерений Relab Lite. В настройках датчика устанавливается единица измерения «Па». Датчик располагается на полу (h = 0 м) помещения (рис. 1) и запускается сбор данных кнопкой «Пуск» в течение 30 с.
• Аналогичным образом измеряется атмосферное давление на разных высотах над уровнем пола (на парте (h = 0,75 м), на шкафу (h = 1,80 м), у потолка (h = 3,04 м)).
• Полученные результаты подвергаются анализу.

Обобщаются результаты эксперимента: с высотой атмосферное давление уменьшается (рис. 2, табл. 2, рис. 3). Значения атмосферного давления на разных высотах, измеренные через каждые 0,5с в течение 30с и среднее значение атмосферного давления за 30с представлены в таблице 3.

Таблица 2. Среднее значение атмосферного давления на разных высотах

Время t, с	На полу h = 0 м	На парте h = 0,75 м	На шкафу h = 1,80 м	У потолка h = 3,04 м
30,00	99149,41	99126,79	99112,67	99102,2

Таблица 3. Атмосферное давление и среднее значение атмосферного давления на разных высотах

С увеличением высоты атмосферное давление уменьшается. Изменение атмосферного давления происходит не пропорционально изменению высоты столба воздуха, а гораздо быстрее, что связано с большой сжимаемостью.

2. Определение факторов, влияющих на гидростатическое давление.

• Сначала датчик дифференциального давления цифровой лаборатории Relab, измеряющий перепад (разность) давления в двух точках, соединяется с пластиковой трубкой и подключается к USB разъёму ноутбука Lenovo.
• Мензурка наполняется водопроводной водой объёмом 250 мл.
• Запускается программа измерений Relab Lite. В настройках датчика устанавливается единица измерения «Па». Пластиковая трубка, соединённая с датчиком дифференциального давления, погружается в воду на глубину 0,9 см, и запускается сбор данных кнопкой «Пуск» в течение 30 с (рис. 4).
• Измеряется перепад давления в водопроводной воде по мере увеличения глубины погружения трубки (рис. 5).

• Затем рассчитываются плотности четырёх жидкостей: водопроводной воды и трёх растворов соли.

Сначала на электронных весах определяется масса m₁ пустого пластикового стаканчика (рис. 6). В мензурку наливается водопроводная вода, объёмом V =100 см³. Затем на электронных весах определяется масса m₂ стаканчика с водой. Рассчитывается масса воды по формуле m = m₂ - m₁. По формуле ρ= m/V определяется плотность водопроводной воды.

Приготавливаются три раствора соли разной плотности. Для этого в первом стакане с водопроводной водой объёмом 100 см³ растворяется соль массой 10 г (одна чайная ложка). Во втором стакане с водой объёмом 100 см³ растворяется соль массой 20 г (две чайные ложки), в третьем стакане с водой объёмом 100 см³ растворяется соль массой 30 г (три чайных ложки). Пользуясь формулой расчёта ρ = m/V, определяется плотность каждого раствора соли.

• Пластиковая трубка, соединённая с датчиком дифференциального давления, погружается каждый раз на глубину 13 см в жидкости разной плотности (воду, раствор соли 1, раствор соли 2, раствор соли 3) и запускается сбор данных кнопкой «Пуск» в течение 30 с (рис. 7).
• Определяется зависимость дифференциального давления от плотности жидкости.
• Полученные результаты подвергаются анализу.

Обобщаются результаты эксперимента: в однородной жидкости с глубиной давление возрастает (рис. 8, табл. 4, рис. 9). В разных жидкостях на одном и том же уровне давление (и, следовательно, дифференциальное давление) тем больше, чем больше плотность жидкости (табл. 5, рис. 10, табл. 6, рис. 11).

Таблица 4. Определение перепада давления пресной воды в зависимости от глубины

Номер опыта	Высота столба воды h, см	Перепад давления в воде Δр, Па
1	0,9	-188
2	4,5	92
3	8,1	502
4	11,7	805
5	15,3	1196
6	18,9	1501

Таблица 5. Определение плотностей различных жидкостей

Номер опыта	Название жидкости	Масса пустого стакана m1, г	Масса стакана с жидкостью m2, г	Масса жидкости m=m2-m1, г	Объём жидкости, V, см³	Плотность жидкости ρ = m/V, г/см³	Плотность жидкости ρ = m/V, кг/м³
1	Вода	2,54	101,77	99,23	100	0,9923	992,3
2	Раствор соли 1	2,54	109,14	106,6	100	1,066	1066,0
3	Раствор соли 2	2,54	114,93	112,39	100	1,1239	1123,9
4	Раствор соли 3	2,54	126,5	123,96	100	1,2396	1239,6

Таблица 6. Зависимость дифференциального давления от плотности жидкости

Название жидкости	Плотность жидкости ρ = m/V, кг/м³	Дифференциальное давление жидкости Δр, Па
Вода	992,3	962
Раствор соли 1	1066,0	1072
Раствор соли 2	1123,9	1209
Раствор соли 3	1239,6	1348

Факторами, влияющими на величину гидростатического давления, являются высота столба и жидкости и её плотность. В однородной жидкости с глубиной давление возрастает, так как возрастает вес столба жидкости, причём изменение давления жидкости прямо пропорционально изменению высоты её столба. Зависимость дифференциального давления от высоты её столба также прямо пропорциональная, что связано с отсутствием сжимаемости жидкостей.

В разных жидкостях на одном и том же уровне давление (и, следовательно, дифференциальное давление) тем больше, чем больше плотность жидкости, так как вес более плотной жидкости больше.

Работа в выбранном направлении может быть продолжена постановкой демонстрации гидростатического парадокса Паскаля - отсутствием зависимости гидростатического давления от формы столба жидкости.

По сравнению с традиционными экспериментами с использованием барометра-анероида для измерения атмосферного давления и открытого жидкостного манометра, для измерения гидростатического давления, достоинством модернизации опытов с использованием датчиков атмосферного и дифференциального давления, является большая наглядность эксперимента, точность измерения и быстрота проведения анализа.

Недостатком использования цифровой лаборатории является отсутствие приобретения обучающими навыков работы с физическими приборами и расчётов погрешности измерения. Поэтому для повышения эффективности проведения экспериментов в школьной физической лаборатории целесообразно сочетать использование компьютерных технологий и приборов для эмпирического изучения законов природы.

Практическая значимость работы состоит в том, что использование данного подхода позволит сократить время на организацию и проведение работ, получить данные, недоступные в традиционных опытах, повысить точность и наглядность экспериментов, быстро обработать и проанализировать полученные данные на уроках физики и географии при изучении тем «Атмосферное давление» и «Гидростатическое давление».

Список литературы

1. Высотомер https://ru.wikipedia.org/wiki/Высотомер.
2. Измерение переменных давлений / Е.М.Федяков, В.К.Колтаков, Е.Е.Богдатьев. - М.: Издательство стандартов, 1982. - 216 с.
3. Методы измерения гидростатического давления. Введение http://aipe-nv.ru/student/student_news/virtualnye_laboratornye_raboty/lab/lab01/mtd.htm.
4. Паскаль Блез http://www.vokrugsveta.ru/encyclopedia/index.php?title.
5. Традиционные методы измерения атмосферного давления
6. http://studbooks.net/80318/ekologiya/traditsionnye_metody_izmereniya_atmosfernogo_davleniya.
7. Элементарный учебник физики: Учеб. пособие. В 3 т. /Под. Ред. Г.С.Ландсберга: Т. 1. Механика. Теплота. Молекулярная физика. - М.: Физматлит, 2017. - 512 с.