Номер 13, страница 33, часть 2 - гдз по физике 7 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Глава IV. Давление твёрдых тел, жидкостей и газов. Плавание тел. Параграф 19. Атмосферное давление - номер 13, страница 33.

Условие.

13. Расскажите об опыте Торричелли. Почему в этом опыте он использовал ртуть, а не воду? Что можно измерить в этом опыте?

Решение.

Расскажите об опыте Торричелли.

В 1643 году итальянский учёный Эванджелиста Торричелли провёл эксперимент, который впервые продемонстрировал существование атмосферного давления и позволил измерить его величину. Он взял стеклянную трубку длиной около одного метра, запаянную с одного конца, и наполнил её ртутью до самого верха. Затем, плотно закрыв открытый конец пальцем, он перевернул трубку и опустил её в широкую чашу, также наполненную ртутью. Когда он убрал палец, часть ртути из трубки вылилась в чашу, но не вся. В трубке остался столб ртути высотой около 760 мм.

Пространство над ртутью в запаянной части трубки стало пустым — так была получена «торричеллиева пустота», то есть вакуум. Торричелли сделал вывод, что столб ртути удерживается давлением окружающего воздуха на поверхность ртути в чаше. Таким образом, давление, создаваемое столбом ртути, уравновешивает давление атмосферы.

Ответ: Опыт Торричелли заключается в уравновешивании столба ртути в запаянной с одного конца трубке давлением атмосферы, что доказывает существование атмосферного давления и позволяет его измерить.

Почему в этом опыте он использовал ртуть, а не воду?

Торричелли использовал ртуть, а не воду, по нескольким ключевым причинам:

1. Высокая плотность. Ртуть — одна из самых плотных жидкостей ($$\rho_{рт} \approx 13600 \text{ кг/м}^3$$), она примерно в 13,6 раз плотнее воды ($$\rho_{в} \approx 1000 \text{ кг/м}^3$$). Давление столба жидкости рассчитывается по формуле $$P = \rho g h$$. Чтобы уравновесить нормальное атмосферное давление, высота столба ртути составляет всего около 760 мм (0,76 м), что позволяет использовать метровую трубку. Если бы он использовал воду, потребовалась бы трубка высотой более 10 метров.

Проведём расчёт высоты водяного столба.

Дано:

Нормальное атмосферное давление $$P_{атм} \approx 101325 \text{ Па}$$

Плотность воды $$\rho_{в} = 1000 \text{ кг/м}^3$$

Ускорение свободного падения $$g \approx 9.8 \text{ м/с}^2$$

Найти:

Высоту водяного столба $$h_в$$.

Решение:

Высота столба жидкости определяется из условия равенства давлений $$P_{атм} = \rho_в g h_в$$.

Отсюда $$h_в = \frac{P_{атм}}{\rho_в g}$$

$$h_в = \frac{101325 \text{ Па}}{1000 \text{ кг/м}^3 \cdot 9.8 \text{ м/с}^2} \approx 10.34 \text{ м}$$

Создание и работа со стеклянной трубкой такой длины в XVII веке были бы крайне затруднительны.

2. Низкое давление паров. Ртуть при комнатной температуре испаряется очень слабо. Это означает, что в «торричеллиевой пустоте» давление паров ртути пренебрежимо мало, и оно не влияет на точность измерения. Вода, напротив, испаряется значительно, и её пары создавали бы в трубке собственное давление, которое привело бы к занижению измеряемой высоты столба и, следовательно, к неверному результату.

Ответ: Ртуть была использована из-за её высокой плотности, что позволило провести опыт с трубкой удобной длины (около 1 м), а также из-за её низкой испаряемости, что обеспечило точность измерений.

Что можно измерить в этом опыте?

В этом опыте можно измерить главную величину — атмосферное давление. Высота столба ртути в трубке прямо пропорциональна давлению атмосферы. Измеряя эту высоту, мы фактически измеряем атмосферное давление. Единица измерения давления «миллиметр ртутного столба» (мм рт. ст.) напрямую связана с этим опытом.

Прибор, созданный на основе опыта Торричелли, называется ртутным барометром. С его помощью можно отслеживать изменения атмосферного давления, что имеет большое практическое значение, например, для прогнозирования погоды. Понижение давления часто предвещает осадки и ветер, а повышение — ясную и сухую погоду. Кроме того, этот опыт позволил впервые искусственно создать вакуум и начать его изучение.

Ответ: В этом опыте можно измерить атмосферное давление.