Барометр Торричелли

По телевидению или радио мы часто слышим, что атмосферное давление равно, например, 760 мм рт.ст. (читается: семистам шестидесяти миллиметрам ртутного столба). Это число бывает и другим – больше или меньше. Что оно означает? Для ответа на этот вопрос рассмотрим опыт итальянского ученого Э.Торричелли, проделанный им в XVII веке.

               В опыте Торричелли используется налитая в трубку ртуть. При переворачивании трубки в чашу со ртутью в трубке остается ее 'столб' высотой около 76 см. Эта высота зависит от атмосферного давления в том месте, где проводят опыт

 

Стеклянную трубку длиной около метра, запаянную с одного конца, наполняют доверху ртутью. Затем, плотно закрыв отверстие пальцем, трубку переворачивают и опускают в чашу со ртутью. После этого палец убирают. Ртуть из трубки начинает выливаться, но не вся! Остается "столб" ртути примерно 76 см высотой, считая от ее уровня в чаше. Эта высота не зависит ни от длины трубки, ни от глубины ее погружения.
Объясним этот опыт. Взгляните на нижний рисунок. Желтым цветом мы пометили небольшой слой ртути внутри трубки у ее отверстия. Вес вышележащих слоев действует вниз, толкая "желтый" слой в чашу. Причина этого - сила тяжести. А ртуть в чаше давит на "желтый" слой вверх, толкая его назад в трубку. Причина возникновения этой силы – атмосферное давление, действующее на поверхность ртути в чаше. СогласнозаконуПаскаля оно распространяется через ртуть даже внутрь трубки. Так как ртуть покоится, то названные силы (обозначим их F1 и F2) уравновешивают друг друга.

На поверхность ртути в чаше действует атмосферное давление (синие контурные стрелки). Согласно закону Паскаля оно распространяется через слой ртути (изогнутые стелки). Оно 'вгоняет' ртуть вверх по трубке, противоположно силе тяжестиИз формулы p=F/S следует, что F=p·S. Так как F1=F2, получаем равенство p1S1=p2S2. Здесь S1 и S2 – площади верхней и нижней поверхностей "желтого" слоя ртути. Так как они равны, то равны и давления p1 и p2. То есть давление, создаваемое столбом ртути в трубке, равно атмосферному давлению. Поэтому столб ртутиустойчив.

Трубка Торричелли с линейкой является простейшим барометром – Ртутные барометры бывают самой разнообразной формы. Например, у этого барометра чаша со ртутью имеет шарообразную форму и составляет с трубкой одно целое. Тем не менее высоту столба ртути отсчитывают именно от ее уровня в 'чаше'прибором для измерения атмосферного давления. Эти измерения показывают, что атмосферное давление в местностях, лежащих на уровне мирового океана, в среднем около 760 мм рт.ст. Такое давление при температуре ртути 0°Сназывается нормальным атмосферным давлением. Выразим его в более привычных единицах давления – паскалях:

                     p = r · g · h = 13600 кг/м3 · 10 Н/кг · 0,76 м = 100 кПа.

Итак, как же понимать, что атмосферное давление сейчас равно, например, 760 мм рт.ст. или 100 кПа? Это значит, что в данный момент атмосферное давление таково, что способно уравновешивать давление столба ртути высотой 76 см в трубке Торричелли.


Используются технологии uCoz