Лабораторна робота № 16. Дослідне вивчення залежності атмосферного тиску від висоти над Землею

 

Мета роботи – вивчити поняття про атмосферу Землі; дослідити залежність атмосфери від висоти над Землею; отримати дослідне підтвердження барометричної формули.

 

Вказівки до виконання лабораторної роботи

Для виконання лабораторної роботи необхідно вивчити такий теоретичний матеріал: атмосфера, атмосферний тиск, барометрична формула.

[1, т.1, §§ 14.3, 14.11; 2, §§ 41 – 43, 45; 4, т.1, §§ 62, 75]

 

Атмосфера – це газоподібна оболонка, яка оточує Землю. Атмосфера обертається із Землею як одне ціле і має масу 5,15×10¹⁸ кг. Хімічний склад атмосфери біля поверхні Землі такий: 78% азоту, 21% кисню, 0,9% аргону, а решту складають у невеликих кількостях інші гази (СО₂, Cl₂, H ₂, H e₂, Ne₂ та ін.). Процентний склад атмосфери мало змінюється до висоти понад 100 км. Вище 100 км склад атмосфери (повітря) змінюється – росте частка легких газів, частина молекул розпадається на атоми та іони, утворюючи іоносферу.

Атмосфера до висоти 20 км має назву тропосфери, до 40 км – стратосфера, до 80 км – мезосфера і вище іоносфера. Газ атмосфери знаходиться у полі тяжіння Землі і тисне на її поверхню. Тиск, який створює газ атмосфери своєю вагою на поверхню Землі, називається атмосферним тиском. Якщо вирізати стовпчик повітря у вигляді паралелепіпеда висотою 20 км (більш немає сенсу) та поперечним перерізом в 1 см², то вага такого стовпчика досягає 1,013 кг (при умові t =О ^оС та нормальній величині прискорення Земного тяжіння на широті 45⁰ на рівні моря). Атмосферний тиск вимірюється в Па (Н/м²), мм.рт.ст., атмосферах. Співвідношення між цими одиницями таке:

1 атм = 1,014·10⁵ Па = 760 мм.рт.ст. = 1,013 кГ/см².

Тиск та густина повітря в атмосфері з висотою зменшуються.

Розглянемо залежність атмосферного тиску від висоти. Якщо атмосферний тиск на висоті h дорівнює р (рис.16.1), то на висоті h + dh він буде р + dр. Різниця тиску р та р + dр дорівнює вазі Р газу, який знаходиться в об’ємі циліндра висотою dh з основою, площа якої дорівнює одиниці.

Тоді

,

де r – густина повітря, або:

, (16.1)

знак "мінус" показує, що із збільшенням висоти тиск падає.

З висотою dh густина r майже не змінюється. Використавши рівняння стану ідеального газу, маємо:

або . (16.2)

Підставивши вираз (16.2) в (16.1), отримаємо:

або .

При відсутності вітру та повітряних течій, температура атмосфери залишається незмінною. Таку атмосферу називають ізотермічною. Ізотермічна атмосфера – це ідеалізоване уявлення про атмосферу, але в деяких межах (висот) воно виправдане.

Тоді

,

звідки

, (16.3)

де р ₀ – тиск на висоті h =0.

Вираз (16.3) має назву барометричної формули. За допомогою цієї формули можна визначити висоту, на якій ми знаходимося, за значенням тиску. Прилади для визначення висоти над Земною поверхнею називаються висотомірами або альтиметрами.

Для дослідної перевірки барометричної формули достатньо заміряти тиск р ₁ на висоті h ₁, а потім тиск р ₂ на висоті h ₂ (рис. 16.1):

та .

Підставивши значення р та h у (16.3), маємо:

. (16.4)

Отже, дослідна перевірка барометричної формули (16.3) зводиться до перевірки співвідношення (16.4).

Атмосферний тиск вимірюють з допомогою приладів – барометрів. Найбільш поширеними раніше були ртутні барометри (рис. 16.2), а в даний час – барометри-анероїди.

На рис. 16.2 показано ртутний барометр. Він складається з скляної трубки 1, з якої відкачали повітря та занурено у посудину 2 із ртуттю. Ртуть піднімається на висоту h під дією атмосферного тиску, тому тиск часто вимірюють в мм. рт. ст., так як: .

Будову барометра-анероїда показано на рисунку 16.3. Він складається з металевої коробки 1 з діафрагмою М, з якої відкачали повітря. Мембрана через систему важелів 2 та пружину П зв’язана з стрілкою 3. Зміна тиску призводить до підняття або опускання мембрани і це фіксується переміщенням стрілки вздовж шкали 4.

 

Хід роботи

1. Ознайомитись з приладами.

2. Заміряти тиск р ₁ на висоті h ₁. Прийняти висоту h ₁=0 на рівні першого поверху.

3. Заміряти риск р ₂ на висоті 9-го поверху лабораторного корпусу (висота h ₂= 24 м).

4. Визначити температуру навколишнього повітря на даний момент часу.

5. Користуючись формулою (16.4) зробити дослідну перевірку барометричної формули.

 

Контрольні запитання

1. Що таке атмосфера і який склад вона має?

2. На які класи поділяються атмосферні шари?

3. Фізичний зміст атмосферного тиску та одиниці його вимірювання.

4. Яка залежність атмосферного тису від висоти?

5. Яка будова барометрів?

6. Які прилади називають альтиметрами?