Жди надолго изменения

Образования Свердловской области

Муниципальное общеобразовательное

Учреждение «Экологический» лицей №3

Образовательная область: естествознание

Предмет: физика

Проектная работа

Тема: «Атмосферное давление – помощник человека»

Исполнитель:

Ученик 3 «А» класса

Щербаков Артемий

Руководитель:

Учитель физики

Высшей категории

Бредгауэр В.А.

г. Екатеринбург

2006 год

СОДЕРЖАНИЕ:

1. Введение. 2 стр

2. Основная часть 3 стр

2.1. Что такое атмосфера Земли? 3 стр

2.2. Есть ли вес у воздуха? 4 стр

2.3. Сколько весит атмосфера? 5 стр

2.4. Почему на вершине горы прохладней? 6 стр

2.5. Что такое озоновый слой? 6 стр

2.6. Почему небо голубое? 7 стр

2.7. Кто первым измерил атмосферное давление? 8 стр

2.8.Из каких частей состоит атмосферами 8 стр

2.9. Почему температура в различных слоях атмосферы неодинакова? 10 стр

2.10. Почему человек на лыжах ходит по рыхлому снегу, а без лыж проваливается? 10 стр

2.11. Отчего игла легко пронизывает предмет насквозь? 11 стр

3. Практическая часть. 12 стр

3.1. Опыт «Вода в перевёрнутом стакане» 12 стр

3.2. Опыт «Яйцо в бутылке» 12 стр

3.3. Определение среднего значения для города Екатеринбурга. 12 стр

4. Результаты измерений 14 стр

5. Практическое применение. 14 стр

6. Вывод. 15 стр

7. Список литературы. 16 стр.

Морская примета:

Скачет стрелка вверх и вниз,

То погоды лишь каприз,

Если ж медленно движение,

Жди надолго изменения.

1. Введение.

Вокруг нас происходит много удивительного. Однажды, сидя на кухне, обратил внимание на хлопок у окна. Это закрытые пластиковые бутылки с питьевой водой, которые стоят около подоконника и издают хлопок через некоторое время после открытия и закрытия форточки. Я стал наблюдать за бутылками. Оказалось, что с открытой форточкой бутылка сжимается, закрываешь форточку – она расправляется. Меня заинтересовало, почему так происходит?

Я решил исследовать это явление. Поставил перед собой цель: изучить атмосферное давление, доказать, что атмосферное давление – помощник человека. Сформулировал следующие задачи:

1. Изучить научную и популярную литературу по этому вопросу.

2. Выяснить из чего состоит воздушная оболочка Земли. Как

располагаются слои в ней.

2. Изучить атмосферное давление и понять от чего зависит его значения.

3. Провести опыты, доказывающие существование атмосферного давления.

4. Изучить устройство прибора для измерения атмосферного давления.

5. Определить среднее значение атмосферного давления города Екатеринбурга.

6. Спроектировать и изготовить автоматическую поилку для птиц и домашних животных.

2. Основная часть.

2.1. Что такое атмосфера Земли?

Когда мы читаем об освоении человеком Луны и планет, мы часто сталкиваемся с вопросами, касающимися атмосферы. Есть ли атмосфера и на других планетах? Насколько известно ученым, ни одна планета или звезда не имеет атмосферы, похожей на нашу. Что такое атмосфера? Мы можем представить ее в виде океана воздуха, окружающего Землю и имеющего высоту в несколько сотен миль.

Океан воздуха имеет один и тот же состав по всей Земле. В основном он состоит из определенных газов, которые всегда остаются в одной и той же пропорции. Около 78 процентов составляет азот, 21 процент — кислород, и оставшийся один процент составляют газы, которые называются редкими — аргон, неон, гелий, криптон и ксенон.

Воздух, окутывающий Землю, имеет одинаковый химический состав до высоты 18 миль, хотя эта цифра может доходить и до 44 миль. Когда вы достигаете верхнего слоя атмосферы, вы оказываетесь в верхней точке того, что называется тропосферой. Это ближайший к поверхности Земли слой.

На высоте от 18 до 31 мили от поверхности Земли находится слой горячего воздуха, температурой около 42 градусов по Цельсию. Причиной нагрева этого слоя является поглощение тепла солнечных лучей имеющимся здесь озоном. Озон — это особая форма кислорода, где молекула состоит из трех атомов кислорода вместо обычных двух. Горячий озоновый слой служит для того, чтобы защитить нас от наиболее активных солнечных лучей — ультрафиолетовых. Без него мы не выдержали бы солнечного света.

Еще выше находится слой, или несколько слоев, которые называются ионосферой, находящейся на высоте от 44 до 310 миль над землей. Ионосфера состоит из частиц, наэлектризованных Солнцем. Молекулы воздуха находятся в постоянном движении. Атмосфера может удерживаться лишь в том случае, когда молекулы все время сталкиваются друг с другом и не могут улететь. Но чем выше, тем воздух становится все более разреженным. Очень мала вероятность того, что молекула снизу отскочит обратно после столкновения с молекулой сверху. Поэтому молекулы выходят в открытое пространство, и атмосфера разрежается полностью. Существует зона, которая называется экзосфера, где оторвавшиеся молекулы движутся почти свободно, и эта зона начинается с высоты 400 миль и простирается до 1500 миль.

2.2. Есть ли вес у воздуха?

Большинство из нас считают, что воздух — это «ничто», но воздух — это явное «что-то», если он состоит из определенных газов. Газ не имеет определенных размеров или формы, но он занимает пространство.

Огромный воздушный океан, окружающий Землю и простирающийся на многие мили вверх, притягивается и удерживается за счет земного тяготения. Следовательно, воздух имеет вес. А поскольку воздух находится повсюду вокруг нас, он увеличивает вес любого наполняемого им предмета. Например, в волейбольном мяче содержится небольшое количество воздуха. Если вы взвесите два таких мяча, один — накачанный, а другой— спущенный, то вы обнаружите, что спущенный мяч легче. Вес воздуха создает давление. Воздух давит на все ваше тело со всех сторон, подобно воде, если вы находитесь на дне моря. Огромная масса воздуха очень сильно давит на Землю, и давление при этом составляет примерно один килограмм на квадратный сантиметр.

Килограмм — это вес колонны воздуха с площадью основания 1 квадратный сантиметр и высотой, равной высоте атмосферы. Площадь вашей ладони — примерно 77 квадратных сантиметров. Представьте, что на вашу ладонь положен груз весом в 77 килограммов. Причиной того, что вы этого не замечаете, служит то, что воздух, находящийся под вашей рукой, давит с такой же силой, как и сверху. И на вашу голову воздух давит с силой в 270 килограммов, но вас не сплющивает, потому что и внутри вашего тела есть воздух, который уравновешивает давление наружного воздуха. Чем выше вы поднимаетесь (например, на вершину горы), тем меньше воздуха над вами, тем меньше давление. На высоте в 6000 метров давление составляет примерно 0,4 килограмма на квадратный сантиметр. На высоте 3000 метров— 0,7 килограмма на квадратный сантиметр. Если бы вам удалось подняться на высоту в 100 километров, то вы обнаружили бы, что там почти нет давления.

2.3. Сколько весит атмосфера?

Земля окружена толстым слоем атмосферы. Земная атмосфера состоит почти из 20 газов. Два основных газа — кислород и азот. Она также содержит водяные пары и частички пыли.

Воздух — это материя, и, как любой другой вид материи, он имеет вес. Вес — это величина силы тяжести, действующей на предмет. Когда шкала весов, на которые положен камень, показывает 5 килограммов, это означает, что сила тяжести, воздействующая на камень, равна 50 Ньютонам.

Точно так же сила притяжения Земли действует на каждую частичку газа и пыли в атмосфере. Поскольку наша атмосфера — это гигантский океан воздуха, она имеет значительный вес. Если бы его можно было сжать и положить на весы, он бы весил около 5 171 000 000 000 000 тонн! Воздух давит на нас со всех сторон. Давление воздуха на наш организм составляет 1 тонну. Мы не ощущаем этого давления, потому что наш организм привык к нему.

Атмосферное давление самое большое на уровне моря, где оно достигает 1 кг на кв.см. Оно самое большое здесь, потому что это самые низкие слои атмосферы. С увеличением высоты местности давление уменьшается. Поэтому космические скафандры и кабины самолетов, летающих на большой высоте, делаются так, чтобы поддерживать давление, к которому привык организм и какое ему нужно. Земная атмосфера позволяет существовать жизни на Земле. Это воздух, которым мы дышим. Она защищает нас от излишней солнечной радиации, от избытка тепла и холода, а также имеет многие другие функции.

2.4. Почему на вершине горы прохладней?

Наша атмосфера разделена на слои, все они отличаются друг от друга. Основные слои называются тропосферой, стратосферой и ионосферой. Все вместе они образовывают покров в несколько километров толщиной.

Тропосфера — это нижний слой атмосферы, то место, где мы живем. Верхняя граница тропосферы находится на высоте 11 000 м над уровнем моря. Над тропиками она выше (16 — 18 км), над полюсами ниже (8 — 10 км).

Инструменты, поднятые на воздушных шарах, доказывают, что температура в тропосфере постепенно падает. Чем выше в тропосфере вы поднимаетесь, тем ниже становится температура. Каждые 300 м температура падает на 2^оС.

Поэтому, когда мы поднимаемся в горах, мы поднимаемся в тропосфере. Поэтому на высоте 1,5 км в горах может быть на 8^оС прохладней, чем у подножия. А существуют вершины, которые достигают высоты более 8 км! Неудивительно, что там очень холодно. В верхних слоях тропосферы температура почти 60 градусов ниже нуля.

У самой поверхности Земли бывает всегда теплей. Причина в том, что Солнце нагревает Землю и Земля отдает это тепло в воздух. Солнце не нагревает атмосферу непосредственно.

В самом высоком слое, ионосфере, воздух разрежен, атомы и молекулы подвергаются солнечной радиации.

2.5. Что такое озоновый слой?

Человек все больше и больше убеждается, что его повседневная деятельность оказывает влияние на климат, воду и пищу, которые он употребляет, на воздух, которым он дышит, и так далее. Сейчас люди стали беспокоиться, что все выбросы в атмосферу могут губительным образом воздействовать на озоновый слой.

Что такое «озоновый слой» и почему он так важен? Земля окружена толстым покровом воздуха, атмосферой. Атмосфера Земли делает жизнь на ней возможной. Это воздух, которым мы дышим. Она предохраняет нас от опасного солнечного излучения. Атмосфера препятствует излишнему повышению или понижению температуры. Она выполняет еще многие другие функции.

Наша атмосфера разделена на слои, отличающиеся друг от друга. Нижний слой, 1б км в высоту,— тропосфера. В этом слое формируется погода. Второй слой атмосферы, высотой от 16 до 48 километров,— стратосфера.

Где-то между 19 и 35 километрами, в середине стратосферы, находится озоновый слой. Это слой озона, который является разновидностью кислорода. В этом слое отсутствуют ветры и воздух теплый. Теплым его делает озон.

Этот газ поглощает большую часть солнечного ультрафиолетового излучения. Одним из результатов этого является потепление воздуха в этом слое. Но более важно то, что озон препятствует проникновению на Землю ультрафиолетовых лучей. Часть этих лучей полезна, но значительное количество ультрафиолета губит жизнь на Земле. Поэтому очень важно, чтобы все выбросы в атмосферу не оказывали разрушительного воздействия на озоновый слой.

2.6. Почему небо голубое?

Земля наша окружена слоем воздуха, образующим атмосферу. Воздух, который мы вдыхаем, содержит кислород, азот, углекислый газ, а также пары воды и микроскопические пылинки, находящиеся в постоянном движении.

Когда солнечный свет проникает сквозь атмосферу, газы, которыми насыщен воздух, разлагают белый свет на его составные части — спектр: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Получается, что среди этих цветов полоса голубого и синего цвета преобладает, поэтому-то небо и кажется голубым.

На Луне атмосферы нет, и небо выглядит черным. Когда космический корабль выходит на орбиту за пределы атмосферы, космонавты видят в черном бархатном небе сверкающие звезды и планеты, отражающие их свет.

2.7. Кто первым измерил атмосферное давление?

Любой газ, в том числе и воздух, окружающий Землю, имеет вес. С помощью барометра можно даже измерить давление, которое он оказывает на предметы. А, зная атмосферное давление, легче предсказывать погоду или, например, определять высоту полета самолета.

В 1643 году итальянский физик и математик Торричелли изобрел ртутный барометр. Тем самым он показал, что давление воздуха может быть измерено.

Атмосферное давление различно в горах и на уровне моря, оно также зависит от погоды.

Перед дождем оно падает, а перед улучшением погоды — поднимается. Когда самолет набирает высоту, давление уменьшается (на 1 сантиметр ртутного столба за каждые 100 метров), и, наоборот, при снижении самолета оно увеличивается. Так с помощью барометра можно определять высоту полета. Более точный прибор для определения высоты называется альтиметром. Принцип его работы — почти тот же, что и у барометра.

2.8.Из каких частей состоит атмосферами

Разные слои атмосферы сильно отличаются друг от друга, как по составу, так и по своим характеристикам. У поверхности Земли под действием силы тяжести возрастают плотность и давление. С увеличением высоты давление постепенно снижается, и на высоте 700 километров его практически нет. Температура тоже меняется с высотой, падая и повышаясь на определенных уровнях. По мере приближения к наружным слоям атмосферы она повышается. Меняется и газовый состав атмосферы. В нижних ее слоях гораздо больше водяных паров, чем в верхних.

В атмосфере принято выделять четыре слоя. Самый верхний — он называется экзосфера — располагается выше 400 километров. Это огромное пространство разреженного газа, состоящего из кислорода, гелия и водорода. В нем происходят северные сияния.

Ниже экзосферы лежит ионосфера — слой заряженных частиц. Она располагается на высотах от 400 до 80 километров от уровня земли.

Ионосфера может отражать некоторые длины радиоволн. Благодаря этому ее свойству и возможна радиосвязь между отдаленными точками Земли.

Ниже ионосферы — на высотах от 80 до 11 километров — лежит стратосфера. В ней находится так называемый озоновый слой, защищающий Землю от вредного ультрафиолетового излучения Солнца. В нижней части стратосферы температура постоянна, и для нее характерна своя циркуляция воздуха. Этими потоками иногда пользуются пилоты высотных самолетов.

Основная масса атмосферы содержится в тропосфере — тонком, около 10 километров, слое, непосредственно покрывающем Землю. Здесь формируется земная погода, образуются облака. Вместе с внешними слоями тропосфера защищает Землю от заряженных частиц и смертоносной солнечной радиации. Толщина ее меняется: на экваторе она составляет 19 километров, а на полюсах ее толщина снижается всего до 8 километров. Для тропосферы характерно увеличение с высотой скорости ветра и уменьшение температуры.

2.9. Почему температура в различных слоях атмосферы неодинакова?

Благодаря подогреву снизу в приземном слое атмосферы температура с увеличением высоты падает. Например, на высоте 10— 12 километров царит жестокий мороз в 40- 50 градусов ниже нуля. Объясняется это тем, что на такую высоту от Земли доходит очень мало тепла, а прозрачный воздух практически не прогревается Солнцем.

Для тропосферы характерны увеличение скорости ветра с возрастанием высоты, значительные вертикальные перемещения воздуха. Все эти процессы и определяют погоду на Земле.

Граница между тропосферой и расположенной над ней стратосферой называется тропопаузой. В верхних слоях стратосферы, начиная с высоты 25 километров, температура начинает увеличиваться. Она достигает максимума в стратопаузе, на высотах 75-85 километров. На таких высотах вновь царит тропическая жара.

Над этим уровнем расположена термосфера, где температура возрастает еще сильнее, и на высоте 400 километров она уже превышает 1000 градусов. Эта граница называется термопаузой.

За термопаузой, там, где начинается экзосфера, и давление падает практически до нуля, температура также понижается и начинается область космического холода.

Знание температурного режима различных слоев атмосферы очень важно, поскольку без него невозможно сконструировать космический корабль, рассчитанный на работу на околоземной орбите.

2.10. Почему человек на лыжах ходит по рыхлому снегу, а без лыж проваливается?

Потому что в первом случае давление его тела распределяется на гораздо большую поверхность, чем во втором.

Если поверхность лыж, например, в 20 раз больше поверхности наших подошв, то на лыжах мы давим на снег в 20 раз слабее, чем стоя на снегу прямо ногами. Рыхлый снег выдерживает первое давление, но не выдерживает второго.

По той же причине лошадям, работающим на болоте, подвязывают особые «башмаки» к копытам, чтобы увеличить площадь опоры ног и тем уменьшить давление на болотистую почву, ноги лошадей при этом не увязают в болоте. Так же поступают и люди в некоторых болотистых местностях.

По тонкому льду люди передвигаются ползком, чтобы распределить вес своего тела на большую площадь.

Наконец, характерная способность танков и гусеничных тракторов не увязать в рыхлом грунте, несмотря на свой значительный вес, объясняется опять таки распределением веса на большую поверхность опоры.

2.11. Отчего игла легко пронизывает предмет насквозь?

Отчего толстую ткань или картон легко проткнуть тонкой иглой и трудно пробить тупым гвоздем? В обоих случаях действует, казалось бы, одинаковая сила.

Сила одинакова, но давление все же не одинаково. В первом случае вся сила сосредоточивается на острие иглы; во втором — та же сила распределяется на большую площадь конца гвоздя; следовательно, давление иглы гораздо больше, нежели давление тупого стержня, при одном и том же усилии наших рук.

Когда речь идет о давлении, всегда необходимо, кроме силы, принимать во внимание также и площадь, на которую эта сила действует. Когда нам говорят, что кто-либо получает 300000 рублей зарплаты, то мы не знаем еще, много это или мало; нужно знать — в год или в месяц? Точно так же и действие силы зависит от того, распределяется ли она на квадратный сантиметр или сосредоточивается на сотой доле квадратного миллиметра.

Из сказанного ясно, что острие прокалывает лишь благодаря незначительной площади, по которой распределяется действие силы. Совершенно по той же причине острый нож лучше режет, нежели тупой; сила сосредоточивается на меньшем пространстве. Итак, заостренные предметы оттого хорошо колют и режут, что на их остриях и лезвиях сосредоточивается большое давление.

3.Практическая часть.

3.1. Опыт «Вода в перевёрнутом стакане»

Нальём в стакан воду до самого края. Прикроем стакан листком плотной бумаги и, придерживая бумагу ладонью, быстро перевернём стакан кверху дном. Теперь уберём ладонь. Вода из стакана не выльется.

Давление атмосферного воздуха на бумажку больше давления воды на нее. Вот почему бумажка не отпадает.

3.2. Опыт «Яйцо в бутылке»

Возьмём яйцо, сваренное вкрутую. Возьмём пустую бутылку. Очистим яйцо от скорлупы. Убедимся, что яйцо в бутылку не проходит. Возьмём лист бумаги, скрутим его трубкой, подожжём, и горящую бумагу быстро опустим в бутылку.

Подождём, пока бумага прогорит, а затем положим очищенное яйцо на горлышко бутылки. В результате - яйцо протиснулось через горлышко внутрь бутылки.

Вы, очевидно, догадались, в чем дело? При горении бумаги воздух внутри бутылки согрелся и, расширившись, вышел наружу. Когда мы заткнули горлышко бутылки яйцом, то воздух внутри бутылки, постепенно остывая, стал сжиматься, его давление стало меньше атмосферного, и яйцо засосало внутрь.

3.3. Определение среднего значения для города Екатеринбурга.

Газы сильно сжимаемы. А чем сильнее газ сжат, тем больше его плотность и тем большее давление он производит.

Слои воздуха у поверхности Земли сжаты всеми слоями воздуха, находящимися над ними. Но чем выше от поверхности слой воздуха, тем слабее он сжат, тем меньше его плотность, а следовательно, тем меньшее давление он производит. Если, например, воздушный шар поднимается над поверхностью Земли, то давление воздуха на шар становится меньше не только потому, что высота столба воздуха над ним уменьшается, но еще и потому, что плотность воздуха вверху меньше, чем внизу. С помощью барометра можно установить, что давление атмосферы даже на разных этажах здания различное.

Наблюдения показывают, что атмосферное давление в местностях, лежащих на уровне моря, в среднем равно 760 мм рт. ст. – это нормальное атмосферное давление.Чем выше лежит место над уровнем, моря, тем давление там меньше.

При небольших подъемах в среднем на каждые 12 метров подъема давление уменьшается на 1 мм рт. ст.

Город Екатеринбург расположен на Уральских горах. А мы – жители Екатеринбурга – можем с гордостью называться горными жителями! Наш город находится на высоте 262 метра над уровнем моря. Поэтому атмосферное давление в Екатеринбурге должно быть меньше нормального. Вот это я решил исследовать.

С помощью барометра выполнены замеры давления в течение трёх месяцев: осенний – октябрь, зимний – январь, весенний – март. На основе измерений составлены три таблицы и построены графики, определены средние значения атмосферного давления для каждого месяца и общее среднее значение. (смотри приложение)

Вычисляем на сколько должно уменьшится нормальное атмосферное давление на высоте 262 метра над уровнем моря, зная, что при поднятии на каждые 12 метров оно уменьшается на 1 мм рт. ст: