III цикл
Основы
термодинамики
Лабораторные работы №1-III и №4-III
Измерение атмосферного давления
Цель работы:предложить способ определения атмосферного давления с помощью имеющегося оборудования. Выполнить необходимые измерения и определить атмосферное давление.
Оборудование: две стеклянные трубки (одна из них с пробкой), соединённые длинной гибкой трубкой, штатив, вода, линейки демонстрационная и ученическая.
Содержание и метод выполнения работы
Для определения атмосферного давления можно осуществить изотермический процесс расширения воздуха, находящегося в стеклянной трубке между поверхностью воды и пробкой.
Трубка 1 закреплена в штативе, а трубку 2 можно перемещать произвольным образом. Если трубку 2 расположить так, чтобы уровни воды в обеих трубках совпали, можно утверждать, что воздух в трубке 1 находится под атмосферным давлением p и занимает объем V.
При опускании трубки 2 (см. рисунок) давление воздуха в трубке уменьшается на величину D p = r gh, где h – разность уровней воды в трубках, r – плотность воды, g – ускорение свободного падения. Воздух, находящийся под пробкой, занимает новый объем V + D V. Процесс расширения воздуха, находящегося в трубке, можно считать изотермическим. Для изотермических состояний воздуха в трубке можно записать уравнение:
рV = (p – D p)(V + D V).
Из этого уравнения выразим атмосферное давление p:
.
Так как D p = r gh, V = S 
и D V = S D , где S – площадь поперечного сечения стеклянной трубки, – первоначальная длина столба воздуха и D 
– изменение длины столба воздуха, то
.
Следовательно, для определения атмосферного давления необходимо измерить первоначальную длину столба воздуха в трубке при одинаковой высоте уровней воды в трубках 1 и 2, длину + D столба воздуха в трубке 1 после опускания трубки 2 и разность высот h уровней воды в трубках 1 и 2.
|
|
Порядок выполнения работы
1. Установите перемещением трубки 2 равенство уровней воды в трубках 1 и 2. Измерьте ученической линейкой длину воздушного столба в трубке с пробкой 1.
2. Опустите трубку 2 в среднее положение между уровнем воды в трубке 1 и уровнем пола. Измерьте + D и h, причем + D измеряется демонстрационной линейкой. Положите трубку 2 на пол и измерьте новые значения + D и h.
3. Аналогичные измерения можно сделать, поднимая трубку 2 выше трубки 1. Поднимите трубку 2 на высоту, которую позволяет длина гибкой трубки. Проведите необходимые измерения. Затем исследуйте положение трубки 2 между максимальной высотой и высотой для п. 1.
4. Используя полученные результаты измерений + D ,
– D и h, вычислите атмосферное давление воздуха. Сравните полученное значение с показаниями барометра p б. Оцените погрешности измерений и вычислений.
5. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу:
| № |  , м
| + D , м
| – D , м
| h, м | p, Па | p б , Па |
Дополнительное задание
Проанализируйте возможные способы повышения точности измерения атмосферного давления.
Контрольные вопросы
1. Возможен ли опыт Торичелли с использованием воды вместо ртути?
2. Какими способами можно повысить точность измерения атмосферного давления?
3. Как устроен ртутный барометр и барометр-анероид?