Научно-исследовательская работа учащейся 8 А класса МБОУ "КЭГ имени Зая Пандиты" Саранговой Цаганы " Давление:от опытов Торричелли и до наших дней"

Научно-практическая конференция школьников

Направление: Физика

Название работы: Давление: от опытов Торричелли до наших дней

Автор работы: Сарангова Цагана Владиславовна

Место выполнения работы: г. Элиста

Муниципальное бюджетное общеобразовательное

учреждение «Калмыцкая этнокультурная гимназия

имени Зая Пандиты»

Руководитель:

Пастарнакова Ю.В., учитель физики

Элиста

2020 г.

Оглавление Стр.

Введение........................................................................................................................ 3

Теоретическая часть.................................................................................................... 5

Практическая часть........................................................................................................9

Заключение...................................................................................................................13

Список использованной литературы....................................................................................................................14

Введение

Моя исследовательская работа посвящена изучению давления. Оно окружает нас повсюду: на поверхности земли, в воде, в воздухе.… Поэтому его изучение очень важно. Без знания о давлении, мы не сможем пользоваться штамповкой деталей; не сможем учесть зависимость роста давления с высотой или глубиной; не сможем построить высотные дома; даже режущие и колющие предметы: иглы, ножи, ножницы не сможем использовать в быту и др. Человеку необходимы знания о давлении, чтобы двигать прогресс вперед, делать новые открытия и изобретения. Сообщая по радио о погоде, дикторы обычно говорят в конце: атмосферное давление 760 мм ртутного столба (или 749, или 754...). Сейчас эти слова никого не удивляют, а 350 лет назад люди и не подозревали о существовании давления атмосферы.
Цели:

• Расширить знания о давлении

• Выяснить: от чего зависит давление

• Изучить роль давления в жизни человека

• Подтвердить теоретические факты опытными результатами.

 Объект исследования: Окружающая среда и человек.

Актуальность данного исследования я вижу в том, что эта тема является основной и одной из самых важных понятий в курсе физики, а значит, полученные мною знания можно применять, во-первых: на уроках физики, а также биологии, ОБЖ. Во-вторых: при сдаче и подготовке к ЕГЭ. Я тоже планирую сдавать физику, поэтому, таким образом, я готовлюсь к итоговой аттестации по физике. Мне очень понравилась тема давления, и я решила изучить ее более обширно.

 Основные методы работы – поисковый, метод обобщенного анализа (сравнение имеющихся знаний с полученными данными), лабораторно – практический.

  Исследование проводилось в течение 2 недель (13 сентября – 26 сентября 2020 года) в четыре этапа: Во время I - организационного этапа планировалась исследовательская работа, разрабатывалась система. На II - информационном этапе изучалась литература по проблеме, исследовался материал Интернета. На III этапе реализации проекта была проведена практическая часть исследования. Впоследствии был собран и систематизирован полученный теоретический и практический материалы. На IV – оценочно-аналитическом этапе был сделан анализ результатов исследовательской работы, подведены итоги.

Основная часть

1. Теоретическая часть.

I. История развития представления об атмосферном давлении.

О существовании давления люди догадывались еще во времена Аристотеля и Демокрита. Вклад в развитие атмосферного давления внесли древние атомисты Демокрит, Эпикур и Лукреций. Они не сомневались в материальной природе воздуха, атомы которого, по их мнению, обладают подвижностью и круглой формой.

В эпоху раннего средневековья представление об атмосфере высказал египетский ученый Ал Хайсама (Альгазена), живший в XI веке. Он не только знал, что воздух имеет вес, но что плотность воздуха уменьшается с высотой, и этим уменьшением объяснял атмосферную рефракцию. Наблюдая за продолжительностью сумерек, Альгазен оценивал высоту атмосферы примерно в 40 километров. Однако средневековая Европа вернулась к аристотелевской концепции четырех элементов и принципу "боязни пустоты", оставив надолго изучение физических свойств воздушного океана.

Первыми, кто практически измерил давление воздушного океана, были итальянские ученые. Галилей считал, что предельная высота водяного столба 18 локтей является мерой "боязни пустоты" (т. е. сила атмосферного давления). Она уравновешивается либо весом водяного столба в 10 метров, либо весом медного столба высотой в 1,12 метра, составляя, по оценке Галилея, около 1 килограмма на квадратный сантиметр. Таким образом, практики с достаточной точностью оценили силу атмосферного давления, и подсчеты Галилея правильны, хотя интерпретация его наблюдения, сделанного итальянскими мастерами, носит еще схоластический характер. Необходимо было сделать дальнейший шаг в развитии представления о давлении. Его сделал Торричелли. Торричелли и Вивиани (ученики Галилея) — работали в тесном содружестве. Теперь их главной задачей было утверждение экспериментального метода. Уже в римский период жизни Торричелли стоял на пороге фундаментального открытия — открытия давления воздушного океана. Однако пока его внимание привлекает новая динамика, и он развивает механику Галилея. И, наконец, Торричелли совершает величайшее открытие. Ему приходит в голову мысль измерить вес атмосферы весом ртутного столба. В 1643 году по его указанию эксперимент был произведен другом Торричелли Винченцо Вивиани. Опыт оправдал все ожидания, ртуть остановилась на заданной высоте, над нею образовалась "торричеллиева пустота". Позже Торричелли повторил опыт с двумя трубками. Ему удалось найти еще более важное доказательство внешней причины образования ртутного столба. Ученый заметил, что высота столба испытывала колебания, то есть давление атмосферы менялось. Таким образом, трубка Торричелли стала первым барометром. Именно с этого опыта началось научное наблюдение за погодой, важнейшими характеристиками которой являются давление и температура.

II. Виды давления.

Помимо атмосферного, существует еще несколько видов давления:

• Абсолютное давление - величина, измеренная относительно давления равного абсолютному нулю. Другими словами давление относительно абсолютного вакуума.

• Барометрическое давление — это абсолютное давление земной атмосферы. Свое название этот тип давления получил от измерительного прибора барометра, который определяет атмосферное давление в определенный момент времени при определенно температуре и на определенной высоте над уровнем моря.

• Избыточное давление-это величина, на которую измеряемое давлением больше барометрического. Для измерения этого вида давления используют манометр.

• Вакуумметрическое давление -это величина, на которую измеряемое давление меньше барометрического. Если избыточное давление обозначается в положительных единицах, то вакуум в отрицательных.

• Дифференциальное давление имеет место, если сравнивается одно давление относительно другого, причем ни одно из них не равно барометрическому.

• Давление в газах. Известно, что молекулы газа беспорядочно движутся. При своем движении они сталкиваются друг с другом, а также со стенками сосуда, в котором находится газ. Молекул в газе много, потому и число их ударов очень велико. Например, число ударов молекул воздуха, находящегося в комнате, на поверхность площадью 1см² за 1 сек. выражается двадцатитрехзначным числом. Хотя сила удара отдельной молекулы мала, но действие всех молекул о стенки сосуда значительно, оно и создает давление газа. Итак, давление газа на стенки сосуда (и на помещенное в газ тело) вызывается ударами молекул газа. При уменьшении объема газа его давление уве­личивается, а при увеличении объема давление умень­шается при условии, что масса и температура газа остаются неизменными. Давление, производимое на жидкость или газ, пере­дается без изменения в каждую точку объема жидкости или газа. (Закон Паскаля).

• Давление в жидкостях. На жидкости, как и на все тела на земле, действует сила тяжести. Поэтому каждый слой жидкости, налитой в сосуд, своим весом создает давление на другие слои, которое по закону Паскаля передается по всем направлениям. Следовательно, внутри жидкости существует давление. На одном и том же уровне оно одинаково по всем направлениям. С глубиной давление увеличивается. В жидкостях частицы подвижны, поэтому они не имеют собственной формы, но обладают собственным объемом, сопротивляются сжатию и растяжению; не сопротивляются деформации сдвига (свойство текучести). В покоящейся жидкости существует два вида статического давления: гидростатическое и внешнее. Вследствие притяжения к Земле жидкость оказывает давление на дно и стенки сосуда, а также на тела, находящиеся внутри нее. Давление жидкости зависит от плотности   жидкости, от ускорения свободного падения g и от глубины h, на которой находится рассматриваемая точка. Оно не зависит от формы столба жидкости.

• Давление в твердых телах. По рыхлому снегу человек идёт с большим трудом, глубоко проваливаясь при каждом шаге. Но, надев лыжи, он может идти по снегу, почти не проваливаясь в него. Почему? На лыжах или без лыж человек действует на снег с одной и той же силой, равной своему весу. Но действие этой силы в обоих случаях различно, потому что различна площадь поверхности, на которую давит человек с лыжами и без лыж. Значит, результат действия силы зависит не только от её модуля, но и от площади той поверхности, перпендикулярно которой она действует.

• Артериальное давление — один из важнейших параметров, характеризующих работу кровеносной системы. Давление крови определяется объёмом крови, перекачиваемым в единицу времени сердцем и сопротивлением сосудистого русла. Поскольку кровь движется под влиянием градиента давления в сосудах, создаваемого сердцем, то наибольшее давление крови будет на выходе крови из сердца (в левом желудочке), несколько меньшее давление будет в артериях, ещё более низкое в капиллярах, а самое низкое в венах и на входе сердца (в правом предсердии). Давление на выходе из сердца, в аорте и в крупных артериях отличается незначительно (на 5—10 мм рт. ст.), поскольку из-за большого диаметра этих сосудов их гидродинамическое сопротивление невелико. Точно так же незначительно отличается давление в крупных венах и в правом предсердии. Наибольшее падение давления крови происходит в мелких сосудах: артериолах,  капиллярах  и  венулах. Артериальное давление зависит от многих факторов: времени суток, психологического состояния человека (при стрессе давление повышается), приёма различных стимулирующих веществ (кофе, чай, амфетамины) или медикаментов, которые повышают или понижают давление. Наиболее легко в измерении артериальное давление. Его можно измерить с помощью прибора тонометра.

2. Практическая часть.

1. Экспериментальное доказательство существования атмосферного давления.

Я выполнила опыт в следующей последовательности:

1. Положила монету на большую плоскую тарелку. 2. Налейте столько воды, чтобы она покрыла монету. 3. Зажгла бумажку, положите ее горящей внутрь стакана и быстро поставьте стакан на тарелку возле монеты дном вверх. Когда бумажка погасла, стакан наполнился белым дымом, а затем под ним сама собой собралась вся вода с тарелки. Монета останется на месте. Какая сила вогнала воду в стакан и поддерживает ее на определенной высоте? Атмосферное давление. Горящая бумажка нагрела в стакане воздух, давление его от этого возросло, и часть газа вышла наружу. Когда бумажка погасла, воздух снова остыл, но при охлаждении его давление ослабло, и под стакан вошла вода.

2. Зависимость скорости потока воздуха от давления.

Я попыталась проверить принцип Бернулли – закон природы, согласно которому любое давление любого текучего вещества, в том числе воздуха, уменьшается с ростом скорости его движения. Иначе говоря, при низкой скорости потока воздуха он имеет высокое давление. В опыте мной использовался пластиковый шарик и фен. Аккуратно помещаю шарик над феном в струю воздуха. Шарик зависнет в воздухе над феном. Воздух, выходящий из фена, движется очень быстро, и, следовательно, его давление невелико. Мячик со всех сторон становится окруженным областью низкого давления, которая образует конус у отверстия фена. Воздух вокруг этого конуса обладает более высоким давлением, и не даёт мячику выпасть из зоны низкого давления. Сила тяжести тянет его вниз, а сила воздуха тянет его вверх. Благодаря совместному действию этих сил, шарик и зависает в воздухе над феном.

3. Наблюдение вакуумметрического давления.

Пронаблюдать его можно с помощью постановки пластиковый медицинских банок При этом возникает кожная гиперемия из-за создания пониженного давлении.

4.  Зависимость давления от площади опоры.

Зная свою массу, я измерила площадь подошвы обуви на низком каблуке и на высоком. Результаты занесла в таблицу:

	Масса, кг	Сила, Н	Площадь подошвы, м2	Давление, Па
сапоги на низком каблуке	42	420	0,0135	31111
сапоги на высоком каблуке	42	420	0,0071	59155

С увеличением площади опоры давление уменьшается.

5. Исследование влияния атмосферного давления на давление в крови человека.

Моя двоюродная сестра – врач. Она очень часто связывает состояние человека с изменением атмосферного давления. Я решила это проверить на себе.

Дата исследования	20.09.2020			21.09.2020			22.09.2020			23.09.2020
	утро	обед	вечер	утро	обед	вечер	утро	обед	вечер	утро	обед	вечер
Атмосф. Давл(мм рт. ст)	749	747	746	748	749	751	754	753	754	748	744	744
Давление крови(сердечное)	75	80	85	75	80	90	75	75	80	75	85	90

 С изменением атмосферного давления меняется давление в крови человека, поэтому я для себя сделала вывод: не следует сильно нагружать свой организм в те дни, когда атмосферное давление резко меняется.

Заключение

1. Проведенные опыты доказывают существование атмосферного давления.

2. Выполненные вычисления и расчеты позволили сделать следующие выводы:

а) с увеличением площади опоры давление уменьшается, уменьшается глубина погружения человека в снег или во влажную почву.

б) с увеличением силы давления растёт давление и увеличивается глубина погружения в снег.

С изменением атмосферного давления меняется давление в крови человека. 

Проектируя здания, различные механизмы и машины необходимо учитывать их давление на грунт. Для уменьшения давления на фундамент здания нужно увеличивать площадь его нижней части, а у автомобилей следует увеличивать площадь колеса.

Запрещается: 
выходить в весенний период на отдаленные водоемы;  переправляться через реку пешком или на каком-либо транспорте;  ходить по тонкому льду.

Любителям зимней рыбалки необходимо помнить, что для обеспечения личной безопасности каждый рыбак должен иметь рядом с собой крепкую доску, длиной 2-2,5 метра, с помощью которой человек сможет продержаться в полынье до прихода помощи, если с ним случилось несчастье. Безопасная толщина льда для взрослого человека составляет не менее 7 см., при этом лед должен быть прозрачным, синего или зеленоватого оттенка. Если лед белого или белесого цвета, то это означает, что он уже имеет трещины и выходить на него опасно. Ни в коем случае нельзя выходить на лед ночью. Не следует сильно нагружать свой организм в те дни, когда атмосферное давление резко меняется. На мой взгляд, такие колебания давления особенно опасны для метеозависимых и людей с заболеваниями сердечно-сосудистой системы для людей пожилого возраста.

Список литературы

1. Я.И.Перельман. Занимательная механика. – Ростов на Дону. ЗАО «Книга» 2005.

2.Семке А.И. Нестандартные задачи по физике – Ярославль, Академия развития, 2007.

3. Кириллова И.Г. Книга для чтения по физике – М.: Просвещение, 1986

4. Ланина И.Я. Не уроком единым: Развитие интереса к физике. – М.: Просвещение, 1991. – 223с.: ил. 

10