Объясните, как с помощью трубки Торричелли можно измерить атмосферное давление.
Опыт Торричелли состоит в следующем: стеклянную трубку длиной около 1 м, запаянную с одного конца, наполняют ртутью. Затем, плотно закрыв другой конец трубки, её переворачивают, опускают в чашку с ртутью и под ртутью открывают конец трубки (рис. 130). Часть ртути при этом выливается в чашку, а часть её остаётся в трубке. Высота столба в трубке будет равняться атмосферному давлению в мм.рт.ст.
Если атмосферное давление уменьшится, то столб ртути в трубке Торричелли понизится. Чем больше атмосферное давление, тем выше столб ртути в опыте Торричелли.
рис. 130. Опыт Торричелли
Трубка Торричелли является простейшим прибором для измерения атмосферного давления. Ее работа основана на исследовании итальянского ученого Эванжелиста Торричелли, который впервые измерил давление атмосферы в 1643 году. Для понимания принципа работы этого устройства важно разобрать физические законы и явления, лежащие в его основе.
Атмосферное давление
Атмосферное давление — это давление, которое оказывает воздух атмосферы на все объекты, находящиеся на Земле, включая ее поверхность. Воздух имеет массу, и под действием силы тяжести он создаёт давление. Атмосферное давление изменяется в зависимости от высоты, температуры, влажности и других факторов.
Принцип работы трубки Торричелли
Трубка Торричелли представляет собой длинную стеклянную трубку, один конец которой запаян. Трубку наполняют ртутью (металлом с высокой плотностью) до самого края и переворачивают в чашу, заполненную ртутью. При этом ртуть из трубки частично вытекает в чашу, но при этом в верхней части трубки образуется вакуум — зона, где отсутствует воздух и другие газы.
Уравновешивание сил
Когда трубка находится в перевернутом положении и часть ртути вытекает, высота оставшейся ртутной столбика устанавливается в таком положении, чтобы вес этого столбика соответствовал давлению атмосферы. Это происходит по следующей причине:
Давление атмосферы уравновешивает давление столбика ртути, то есть:
$$ P_{\text{атм}} = \rho g h $$
где $ P_{\text{атм}} $ — атмосферное давление,
$ \rho $ — плотность ртути,
$ g $ — ускорение свободного падения (примерно 9,8 м/с² на поверхности Земли),
$ h $ — высота столбика ртути.
Роль вакуума
В верхней части трубки, над столбиком ртути, образуется вакуум. Это пространство не содержит никаких газов и не оказывает давления, поэтому единственная сила, которая поддерживает столбик ртути, — это атмосферное давление, действующее на ртуть в чаше.
Измерение давления
Высота столбика ртути $ h $ измеряется в миллиметрах. Эта высота прямо пропорциональна атмосферному давлению. Например, нормальное атмосферное давление на уровне моря удерживает столбик ртути высотой около 760 мм, что соответствует примерно 101325 Па в системе СИ.
Особенности использования
Трубка Торричелли чувствительна к изменениям давления. Если атмосферное давление увеличивается, высота столбика ртути также увеличивается, так как давление на поверхность ртути в чаше возрастает. Если давление уменьшается, высота столбика ртути падает.
Таким образом, трубка Торричелли позволяет наглядно наблюдать и измерять атмосферное давление через высоту столбика ртути. Это изобретение стало основой для создания барометров — приборов для измерения атмосферного давления, используемых в метеорологии и других областях.
Пожауйста, оцените решение
