в чем заключается опыт торричелли
Опыт Торричелли, доказывающий его существование, был максимально прост, но в то же время уникален и повлек за собой не только доказательство теории об атмосфере и ее давлении, но и изобретение барометра и открытие вакуума.
Достижения Торричелли
Эванджелиста Торричелли — ученый физик и математик, истинный энтузиаст, автор многочисленных трудов и открытий. Итальянец, родом из Флоренции. Был близок с Бенедетто Кастелли, который в свою очередь был другом и учеником Галилео Галилея. Под руководством Кастелли он начал изучать математику. Впоследствии, вдохновленный многими трудами Галилея и опираясь на содержание его многочисленных трактатов, он развивал свой гений и стал преемником Галилео.
Торричелли сделал много открытий в математике, механике и физике. Среди них:
Торричелли прожил интересную, полную профессиональных открытий жизнь и умер на родине, во Флоренции в 1647 году.
Атмосферное давление и его значимость
Атмосферное давление — невероятно важная и нужная человечеству величина. От показателей этого параметра зависят погодные условия: если давление увеличивается — это предвещает хорошую теплую погоду без осадков, низкую влажность, если понижается — высок процент того, что погода испортится, будет облачно и высока вероятность осадков.
Поэтому его показатели, дающие возможность прогнозировать погоду, так важны для работников науки и медицины, для летчиков и полярников.
Наука выделяет пять слоев атмосферы: стропо-, страто-, мезо-, термо-, экзосферы. Чем дальше от земли, тем менее изучен слой. По мере удаленности от земли температура в слоях снижается, однако далее начинает повышаться по мере приближения к солнцу.
Атмосфера состоит из воздуха. Ученый стремился доказать, что воздух оказывает давление на все предметы, какие оказываются под его воздействием, и на человека в том числе. И по мере изменения слоев воздуха меняется и его плотность, и, соответственно, само атмосферное давление. Опыт Торричелли, связанный с этим явлением, произвел революцию в мире науки.
Суть опыта ученого
Торричелли был вдохновлен своим видением того, что другие не замечали. Он отчаянно верил в теорию Галилео Галилея, что воздух весом и стремился выявить, что он оказывает прямое влияние на предметы. Для доказательства своей правоты в XVII веке он поставил опыт.
Для проведения опыта он взял стеклянную трубку (приблизительно метр длиной), с одной стороны она была запаяна. Торричелли наполнил трубку (которая впоследствии получила название трубки Торричелли) ртутью и, перевернув ее, опустил ее в чашу также со ртутью. Некоторая часть вещества перетекла в емкость, но большая часть оставалась в емкости. Что же не давало всему веществу перетечь в емкость? Давление атмосферы, которое воздействовало на ртуть в самой чаше, тем самым создавая отпор проникновению ртути из трубки.
Выходит, что атмосферное давление равно тому показателю, который показывает ртуть в столбце трубки, ведь именно с этой силой атмосфера давит на жидкость в емкости. Именно поэтому принято измерять атмосферное давление в миллиметрах ртутного столба. Вот в чем заключался опыт Торричелли, кратко говоря. Таким образом, была выведена следующая краткая формула:
АД равно давлению столба ртути в трубке.
pатм=pртути=ρgh=13600 ⋅ 9.8 ⋅ 0.76=101293 (Па)
Этот же опыт простимулировал изобретение измерительного прибора — ртутного барометра. Сейчас существуют более современные и безопасные приборы для измерения давления атмосферы, так как пары ртути крайне опасны. Новые же изобретения пригодны к применению без последствий для человеческого здоровья и без вреда для окружающей среды.
В процессе своего эксперимента ученый неосознанно сделал еще одно открытие. Он открыл вакуум, который первоначально называли торричеллиевой пустотой. Та часть трубки, которая опустела, и была вакуумом. Хотя многие ученые придерживаются мнения о том, что на самом деле это был не вакуум, а пары ртути.
Подытоживая, можно выделить следующие достижения этого эксперимента:
Сообщение о таком результативном опыте, который принес не одно открытие, а сразу три, несомненно, разделил мир науки на до и после.
Все эти данные и приборы, теперь уже модифицированные, по сей день приносят ежедневную пользу человечеству.
Опыт Торричелли для измерения атмосферного давления — доказательство и суть
Невероятно важный вклад внес в определение атмосферного давления Эванджелиста Торричелли.
Опыт Торричелли, доказывающий его существование, был максимально прост, но в то же время уникален и повлек за собой не только доказательство теории об атмосфере и ее давлении, но и изобретение барометра и открытие вакуума.
Достижения Торричелли
Эванджелиста Торричелли — ученый физик и математик, истинный энтузиаст, автор многочисленных трудов и открытий. Итальянец, родом из Флоренции. Был близок с Бенедетто Кастелли, который в свою очередь был другом и учеником Галилео Галилея. Под руководством Кастелли он начал изучать математику. Впоследствии, вдохновленный многими трудами Галилея и опираясь на содержание его многочисленных трактатов, он развивал свой гений и стал преемником Галилео.
Торричелли сделал много открытий в математике, механике и физике. Среди них:
Торричелли прожил интересную, полную профессиональных открытий жизнь и умер на родине, во Флоренции в 1647 году.
Атмосферное давление и его значимость
Атмосферное давление — невероятно важная и нужная человечеству величина. От показателей этого параметра зависят погодные условия: если давление увеличивается — это предвещает хорошую теплую погоду без осадков, низкую влажность, если понижается — высок процент того, что погода испортится, будет облачно и высока вероятность осадков.
Поэтому его показатели, дающие возможность прогнозировать погоду, так важны для работников науки и медицины, для летчиков и полярников.
Наука выделяет пять слоев атмосферы: стропо-, страто-, мезо-, термо-, экзосферы. Чем дальше от земли, тем менее изучен слой. По мере удаленности от земли температура в слоях снижается, однако далее начинает повышаться по мере приближения к солнцу.
Атмосфера состоит из воздуха. Ученый стремился доказать, что воздух оказывает давление на все предметы, какие оказываются под его воздействием, и на человека в том числе. И по мере изменения слоев воздуха меняется и его плотность, и, соответственно, само атмосферное давление. Опыт Торричелли, связанный с этим явлением, произвел революцию в мире науки.
Суть опыта ученого
Торричелли был вдохновлен своим видением того, что другие не замечали. Он отчаянно верил в теорию Галилео Галилея, что воздух весом и стремился выявить, что он оказывает прямое влияние на предметы. Для доказательства своей правоты в XVII веке он поставил опыт.
Для проведения опыта он взял стеклянную трубку (приблизительно метр длиной), с одной стороны она была запаяна. Торричелли наполнил трубку (которая впоследствии получила название трубки Торричелли) ртутью и, перевернув ее, опустил ее в чашу также со ртутью. Некоторая часть вещества перетекла в емкость, но большая часть оставалась в емкости. Что же не давало всему веществу перетечь в емкость? Давление атмосферы, которое воздействовало на ртуть в самой чаше, тем самым создавая отпор проникновению ртути из трубки.
Выходит, что атмосферное давление равно тому показателю, который показывает ртуть в столбце трубки, ведь именно с этой силой атмосфера давит на жидкость в емкости. Именно поэтому принято измерять атмосферное давление в миллиметрах ртутного столба. Вот в чем заключался опыт Торричелли, кратко говоря. Таким образом, была выведена следующая краткая формула:
АД равно давлению столба ртути в трубке.
pатм=pртути=ρgh=13600 ⋅ 9.8 ⋅ 0.76=101293 (Па)
Этот же опыт простимулировал изобретение измерительного прибора — ртутного барометра. Сейчас существуют более современные и безопасные приборы для измерения давления атмосферы, так как пары ртути крайне опасны. Новые же изобретения пригодны к применению без последствий для человеческого здоровья и без вреда для окружающей среды.
В процессе своего эксперимента ученый неосознанно сделал еще одно открытие. Он открыл вакуум, который первоначально называли торричеллиевой пустотой. Та часть трубки, которая опустела, и была вакуумом. Хотя многие ученые придерживаются мнения о том, что на самом деле это был не вакуум, а пары ртути.
Подытоживая, можно выделить следующие достижения этого эксперимента:
Сообщение о таком результативном опыте, который принес не одно открытие, а сразу три, несомненно, разделил мир науки на до и после.
Все эти данные и приборы, теперь уже модифицированные, по сей день приносят ежедневную пользу человечеству.
Измерение атмосферного давления. Опыт Торричелли
Содержание
Для этого нам нужно будет знать высоту атмосферы и плотность воздуха. Но определенной границы у атмосферы нет, а плотность воздуха меняется в зависимости от высоты: в нижних слоях атмосферы она больше, чем в верхних.
В данном уроке мы рассмотрим опыт, который позволяет рассчитать величину атмосферного давления.
Опыт Торричелли
В XVII веке во Флоренции герцог Тосканский готовился к балу в своем замке и приготовил для своих гостей необычный сюрприз: фонтан, струи которого должны были зрелищно окружить террасу своими струями. Однако, несмотря на работу ручных насосов, вода поднималась только на высоту около 10 метров. Недоумевающие строители обратились за помощью к Галилею, который предложил разобраться в этом своему ученику Торричелли.
Эванджелиста Торричелли (рисунок 1) смог не только объяснить «упрямство фонтана» действием атмосферного давления, но пошел дальше и рассчитал это атмосферное давление.
Рисунок 1. Эванджелиста Торричелли (1608-1647) – итальянский физик и математик, ученик Галилея.
Рассмотрим известнейший опыт Торричелли. На рисунке 2 представлена стеклянная трубка длиной 1 м, один конец которой запаян. Трубку наполняют ртутью. Затем, плотно закрыв открытый конец, ее переворачивают, опускают в чашу с ртутью и под ртутью открывают конец трубки.
Рисунок 2. Опыт Торричелли.
Мы видим, что часть ртути при этом выливается в чашу, а другая ее часть остается в трубке. Высота столба ртути, оставшейся в трубке, равна примерно 760 мм. Заметим, что в трубке над ртутью воздуха нет, там безвоздушное пространство.
Рисунок 3. Дополнительная иллюстрация опыта Торричелли.
Так как в верхней части трубки воздуха нет, то давление создается только весом столбы ртути. Из этого следует, что атмосферное давление равно давлению столба ртути в трубке, т.е.:
Поэтому на практике атмосферное давление часто измеряется высотой ртутного столба. Если, например, атмосферное давление 770 мм рт. ст., то это значит, что воздух производит такое же давление, что и вертикальный столб ртути высотой 770 мм. Каждый из вас слышал прогноз погоды от гидрометцентра. В сводках погоды атмосферное давление также передают в мм рт. ст.. А в каких единицах мы обычно рассчитываем давление на занятиях, решая задачи? Давайте найдем соотношения между этими единицами и выясним, чему равен 1 мм рт. ст. в паскалях (Па).
Давление столба ртути pртути высотой 1 мм равно:
$p=13600\frac<кг> <м^3>\cdot 9,8\frac<Н> <кг>\cdot 0,001м≈133,3 Па$
Итак, 1 мм рт. ст. = 133,3 Па.
Среднее значение атмосферного давления равно 760 мм рт. ст., выразим это значение в паскалях и в гектопаскалях (также довольно широко используемая величина измерения):
760 мм рт. ст.≈101 300 Па≈1013 гПа.
Если к трубке с ртутью, использовавшейся в опыте Торричелли, прикрепить вертикальную шкалу, то получится простой прибор – ртутный барометр, служащий для измерения атмосферного давления (рисунок 4).
Рисунок 4. Простейший ртутный барометр.
После ежедневного наблюдения за высотой столба ртути в трубке, Торричелли сделал вывод, что периодически атмосферное давление меняется, и его изменения связаны с погодными условиями.
Другие опыты
В конце 1646 года семья Паскалей жила во французском городе Руане. Блез Паскаль повторил известный опыт, экспериментируя не только с ртутью, как Торричелли, но и с водой, маслом, красным вином. Интересно, что эти опыты он проводил на улицах Руана, собирая толпы любопытных граждан. Неудивительно, ведь вместо чаши и трубки длиной 1 метр ему понадобились бочки и трубки длиной более 15 метров.
Интересный эксперимент был проведён 19 сентября 1648 года. Блез Паскаль и его зять Флорен Перье проделали опыт, доказавший существование атмосферного давления. При помощи стеклянной трубки и чаши с ртутью предстояло измерить, на какую высоту поднимается в ней ртуть у подножия и на вершине горы Пюи-де-Дом высотой 1647 метров в Клермоне. На вершине столбик ртути остановился на более низкой отметке, так как там земная атмосфера была на 1647 метров меньше. Разница уровней ртути составила почти 8 см (рисунок 6).
Рисунок 6. Опыт Блеза Паскаля и Флорена Перье на горе Пюи-де-Дом.
Интересный факт: самый большой водяной барометр высотой более 12,5 метров был сконструирован в 1985 году Бертом Болле, хранителем музея барометров в Маартенсдейке (Нидерланды), где он и был установлен вплоть до закрытия музея (рисунок 7).
Рисунок 7. Водяной барометр в центральном зале музея барометров, 1995 год.
Кратко об опыте Торричелли со ртутью и стеклянной трубкой
Каждый школьник старших классов, который интересуется физикой, может рассказать кратко об опыте Торричелли. Этот несложный эксперимент был поставлен итальянским ученым в эпоху, когда современная наука только зарождалась, и человечество еще не имело четких представлений о законах механики.
Биография ученого
Прежде чем говорить о сути эксперимента Торричелли, любопытно познакомиться с биографией этого известного ученого. Родился он в Италии в городе Флоренция в 1608 году. Родители возлагали с самого рождения большие надежды на их одаренного сына, поэтому назвали его именем с библейскими корнями — Эванджелиста.
В 1627 году в возрасте 19 лет он отправляется в Рим с целью изучения наук. В столице в течение 5 лет он был учеником Бенедетто Кателли (Benedetto Castelli). В 1632 году по просьбе своего учителя Торричелли берет сам Галилео Галилей в качестве своего помощника при выполнении различных научных экспериментов. Однако, с Галилеем Торричелли поработал немного, поскольку его новый учитель скончался, спустя 3 месяца, в 1633 году.
После смерти Галилея ученого приглашает герцог Фердинандо II Медичи в его родной город Флоренцию в качестве философа и математика Флоренской академии. Торричелли с радостью принял это предложение. Умер Эванджелиста в возрасте 39 лет (в 1647 году) от брюшного тифа.
Знаменитый эксперимент
Эванджелиста Торричелли вошел в историю как первый ученый, который получил математическое выражение для атмосферного давления. Измерения в опыте Торричелли привели к следующим результатам:
Описать эксперимент Торричелли легко.
Суть опыта
В 1643 году, работая в академии Флоренции, ученый поставил следующий опыт: он взял пустую стеклянную трубку длиной 1 метр, которая была запаяна лишь с одной стороны. Затем ученый заполнил ее ртутью и закрыл пальцем открытый конец. После этого он перевернул трубку, погрузил ее в сосуд, содержащий жидкую ртуть, и убрал палец. В этот момент Торричелли наблюдал, как столб жидкости уменьшается. К удивлению многих, и несмотря на то что один конец стеклянной трубки был погружен в жидкость и являлся открытым, вся ртуть не вытекла, а выставился определенный ее уровень.
Эксперимент итальянец проводил на высоте уровня моря, поэтому измеренная им высота столба ртути в трубке составила 76 см или 760 мм. Причем эта величина не изменялась, если наклоняли трубку под разными углами или использовали приборы разного диаметра. До настоящего времени значение 760 мм ртутного столба считается нормальным давлением.
Физические процессы
Для большинства людей остается непонятным, почему вся ртуть не вытекла из стеклянной трубки. Для того чтобы понять, в чем заключается опыт, с точки зрения физики, необходимо вспомнить принцип, что все текущие субстанции (жидкости и газы) передают оказываемое на них давление по всем направлениям одинаково. Причем жидкости не изменяют величину внешнего давления, поскольку являются несжимаемыми.
В опыте Торричелли со ртутью столб этой жидкости имеет некоторый вес, который создает давление на ограниченную диаметром трубки площадку. Это давление точно уравновешивается той же самой величиной, которую создает вся масса воздуха. Следует заметить, что уравновешиваются именно давления, а не веса, как иногда ошибочно говорят. Это умозаключение теоретически можно доказать, если провести следующую последовательность физико-математических рассуждений:
Проанализировав все физические процессы своего опыта, Эванджелиста Торричелли сделал следующий краткий вывод: «Мы живем на дне океана, состоящего из воздуха, который, как неопровержимо показывает опыт, обладает собственным весом». Стеклянная трубка со ртутью стала первым в истории барометром.
Величины измерения и изменение давления
Физическая величина, которая измеряется в ньютонах на квадратный метр, называется давлением. В системе СИ 1 Н/м 2 = 1 Па (Паскаль). Значение 1 Па является настолько маленьким, что в повседневной жизни оно практически не используется. Для этого применяются следующие единицы измерения:
Изменение атмосферного давления в опыте Торричелли можно обнаружить, если его провести ярким солнечным днем и в дождливую погоду. В первом случае оно будет выше 760 мм рт. ст., во втором — ниже этого значения. Этот факт послужил отправной точкой для развития измеряющих давление приборов (барометров) и метеорологии в целом.
Давление зависит не только от погоды, но и от высоты над поверхностью нашей планеты. Чем она выше, тем меньше рассматриваемая величина. Почему это происходит, понять несложно, если учесть, что создаваемое воздухом давление связано исключительно с весом, с которым верхние слои давят на нижние. Чем выше поднимается человек, тем меньше воздушный столб над ним, и, соответственно, меньше будет давление. Приблизительно на высоте 5000 метров изучаемая величина составляет 0,5 атм.
По причине уменьшения давления люди, которые поднимаются в горы, испытывают трудности при дыхании. Процентный состав воздуха остается тот же самый, что и на поверхности земли, однако сокращается число молекул, которые попадают в легкие во время вдоха. Кроме того, путешественники также замечают, что начинают надуваться герметично закрытые сумки из мягкого материала. Происходит это потому, что внутри этих сумок давление оказывается больше (равное 1 атм.), чем снаружи.
Помимо высоты, температура и влажность — это еще два фактора, которые влияют на значение давления в атмосфере.
Виды барометров
В сообщении следует отметить, что начиная с середины XVII века было замечено, что изменение атмосферного давления является надежным индикатором предсказаний состояния погоды в ближайшие часы и даже дни. С тех пор человек стал использовать эти знания в метеорологических целях. Для этого необходимы были точные приборы, способные улавливать малейшие изменения давления.
Первым барометром стал ртутный, созданный Торричелли. Он представляет собой стеклянную трубку длиной 0,85 метра, которая сверху запаяна, а снизу открытым концом помещена в небольшой резервуар со ртутью. Резервуар имеет прямое сообщение с атмосферой. На стеклянную трубку нанесена точная шкала, позволяющая определить десятые доли миллиметра. Этот прибор обладает высокой точностью, однако имеются следующие недостатки его использования:
По этим причинам сейчас широкое распространение получили анероиды. Эти барометры представляют собой небольшой металлический корпус, в котором находится рабочая капсула. Она, как правило, изготовлена из сплава бериллия и меди, который испытывает заметные упругие деформации при изменении внешнего давления. Капсула соединяется со стрелкой, которая указывает на определенное деление шкалы.
Анероидные барометры являются более безопасными, удобными и пригодными для использования, если их сравнивать со ртутными. Однако, они менее точные, поскольку рабочая капсула имеет линейное упругое поведение во время деформации лишь в очень узких пределах.
Таким образом, опыт итальянского ученого Торричелли доказывает существование веса у воздуха и измеряет оказываемое им давление. Также в процессе эксперимента был создан первый в мире барометр, отличающийся высокой точностью показаний.
В чем заключается опыт торричелли
1. Почему нельзя рассчитывать давление воздуха по формуле?
Рассчитать атмосферное давление по формуле для вычисления давления столба жидкости нельзя.
Ведь точной границы у атмосферы нет (т.е. высота столба воздуха неизвестна), да и плотность воздуха с высотой меняется.
2. Как Торричелли измерил атмосферное давление?
В 17 веке итальянский ученый Эванджелиста Торричелли сумел иззмерить атмосферное давление.
Торричелли взял стеклянную трубку длиной около 1 м, запаянную с одного конца и наполнил ее ртутью.
Закрыл открытый конец трубки пальцем, перевернул ее и опустил этот конец трубки в чашку с ртутью.
Под поверхностью ртути он убрал палец с трубки.
Часть ртути из трубки вылилась в чашку, а часть осталась.
Высота столба ртути, оставшейся в трубке, была равна 760 мм.
Давление в трубке на уровне аа1 создается только лишь весом столба ртути в трубке, так как в верхней части трубки над ртутью воздуха нет.
Таким образом давление столба ртути в трубке уравновешивается атмосферном давлением.
р атм = р ртути
Если измерить высоту столба ртути в трубке, то можно рассчитать давление, которое производит столб ртути в трубке.
Оно будет равно атмосферному давлению.
3. Как устроен прибор для измерения атмосферного давления?
Если атмосферное давление уменьшится, то столб ртути в трубке Торричелли понизится.
Если атмосферное давление увеличится, то столб ртути в трубке Торричелли повысится.
То есть внешнее атмосферное давление регулирует высоту столба ртути в трубке.
4. Почему для уравновешивания давления атмосферы, высотой в десятков тысяч километров, достаточно столба ртути высотой всего 760 мм?
Плотность ртути очень велика по сравнению с плотностью воздуха.
В результате столб ртути высотой 760 мм создает такое же по величине давление, что и атмосфера Земли.
5. Почему атмосферное давление удерживает столб ртути в трубке, хотя действует на ртуть в чашке сверху вниз?
6. Работал бы барометр, если бы верхний конец трубки был открыт?
Нет!
Тогда и на столб ртути в трубке, и на поверхность ртути в чашке действовало бы одинаковое атмосферное давление.
И под действием силы тяжести ртуть полностью выливалась бы из трубки в чашку.
7. Изменится ли высота столба ртути в барометре, если трубку опустить глубже в чашку со ртутью?
Нет!
А как это объяснить?
Рассмотрим левую трубку (на рисунке точка А находится на уровне нижнего края трубки).
8. Изменится ли показание барометра, если трубку барометра наклонить?
Если считать, что шкала барометра прикреплена к трубке и наклоняется вместе с ней, то показание барометра изменится!
А если шкала как была вертикальна, так и осталась, а трубка наклоняется отдельно, то не изменится!
В любом случае расстояние от уровня поверхности ртути в чашке до верхнего края ртути в наклоненной трубке останется прежним.
Почему?
При расчете давления, создаваемого наклонным столбом жидкости, можно мысленно разделить его на части.
По формуле подсчитать весовые давления, созданные отдельными слоями.
Применить закон Паскаля и прийти к выводу, что для расчета общего давления жидкости в наклонной трубке требуется не длина этой трубки, а расстояние между верхним и нижним уровнем жидкости.
9. В каких единицах измеряют атмосферное давление?
С помощью ртутного барометра можно измерять атмосферное давление высотой ртутного столба.
Тогда за единицу атмосферного давления можно принять 1 миллиметр ртутного столба (1 мм рт. ст.).
Но в системе СИ за единицу давления принят 1 Па (Паскаль).
Соотношение между этими единицами таково:
Давление столба ртути высотой 1 мм равно:
1 мм рт. ст. = 133,3 Па.
В сводках погоды сообщают, что атмосферное давление равно 760 мм рт.ст., это то же самое, что 1013 гПа (гектоПаскалей).
Изменения атмосферного давления связаны с изменением погоды, оно непостоянно, может увеличиваться и уменьшаться.
10. Водяной барометр Паскаля
В барометре Торричелли исползовалась ртуть.
Такие барометры, в которых исползуется жидкость, назвали жидкостными барометрами.
В 1646 году Блез Паскаль построил водяной барометр.
Так как вода имеет значительно меньшую плотность, Паскалю пришлось взять для своего барометра более длинную трубку.
Для того, чтобы показать атмосферное давление 760 мм рт. ст. трубка должна была иметь длину не менее 10,3 метра?
11. Что доказывает опыт Отто Герике?
В 1654 г. Отто Герике в г. Магдебурге с помощью своего знаменитого опыта подтвердил существование атмосферного давления.
Он выкачал воздух из полости между двумя сложенными вместе металлическими полушариями.
Атмосферное давление так сильно прижало полушария друг к другу, что их не могли разорвать восемь пар лошадей.