大氣壓(3)——大氣壓強

2021-01-14 楊老師的趣味物理演示課堂

大氣壓強概念及成因:

概念:是作用在單位面積上的大氣壓力,即等於單位面積上向上延伸到大氣上界的垂直空氣柱的重量。氣壓大小與高度、溫度等條件有關。一般隨高度增大而減小。在水平方向上,大氣壓的差異引起空氣的流動。氣壓的國際單位是帕,常用的還有MPa,1MPa=10^6帕。   

但實際生活中人們通常習慣用公斤來表示:1公斤約等於0.1MPa,也就是10^5帕。

常用單位有:巴(bar),帕斯卡(Pa),標準大氣壓 (atm),毫米汞柱(託) (mm Hg、Torr)

換算關係為:1bar=100,000Pa=0.98692327atm=750.06168mm Hg[1]

1Pa=1N/m^21MPa=1N/mm^2  

1 Torr =133.3 Pa  1 Pa = 7.5×10-3 Torr  1 Torr = 1 mmHg 柱   1 Torr = 1/760 大氣壓

大氣壓產生的原因可以從不同的角度來解釋。課本中主要提到的是:空氣受重力的作用,空氣又有流動性,因此向各個方向都有壓強。講得細緻一些,由於地球對空氣的吸引作用,空氣壓在地面上,就要靠地面或地面上的其他物體來支持它,這些支持著大氣的物體和地面,就要受到大氣壓力的作用.單位面積上受到的大氣壓力,就是大氣壓強;第二,可以用分子運動的觀點解釋(分子運動論的知識將來初三會學到)因為氣體是由大量的做無規則運動的分子組成,而這些分子必然要對浸在空氣中的物體不斷地發生碰撞.每次碰撞,氣體分子都要給予物體表面一個衝擊力,大量空氣分子持續碰撞的結果就體現為大氣對物體表面的壓力,從而形成大氣壓。若單位體積中含有的分子數越多,則相同時間內空氣分子對物體表面單位面積上碰撞的次數越多,因而產生的壓強也就越大。大氣壓強的特點與地球上液體的特點類似,也是隨著高度的不同而不同,由於受重力影響,越靠近地面的地方氣體密度越高,壓強越大。

 

實驗一:

實驗器材:玻璃杯一個,細口瓶一個,水

實驗步驟

1、將瓶子裡加滿水

2、把玻璃杯倒扣在瓶口上

3、把瓶子與玻璃杯同時倒置過來後,把玻璃杯放在水平桌面上

向上提一下瓶子,當瓶口離開玻璃杯中的水面時,瓶子中的水又會流入到杯子裡一些,直到玻璃杯裡的水沒過瓶口時,瓶子裡的水就會停止流出


實驗現象:當瓶口在玻璃杯水面的上方時,瓶子裡的水就會流入到玻璃杯裡,只要瓶口低於玻璃杯口邊緣的高度,玻璃杯裡的水就不會倒滿。

現象解釋:裝滿水的瓶子倒置時,水會從瓶子裡流入到玻璃杯裡,在玻璃杯裡的水沒過瓶口時,瓶中的水再流出,瓶內氣體的壓強會小於大氣壓強。當瓶內氣體的壓強與瓶內水柱的壓強和等於大氣壓強時,瓶內的水便不再流動;當瓶口離開玻璃杯中水面時,空氣由瓶口進入瓶內,瓶子裡的水又會流出來,直到瓶口再次被玻璃杯內的水沒過,瓶內的水又會停止流動。

 

實驗二:

實驗器材:塑料瓶1個,熟雞蛋1一個,熱水

實驗步驟

1、將熟雞蛋的硬殼皮剝掉

2、往塑料瓶中加滿熱水,過幾分鐘後倒出玻璃瓶中的水

3、瓶中的熱水倒出後,迅速把剝了皮的雞蛋放在玻璃瓶口上,使雞蛋豎直,並用手稍微壓一下雞蛋,讓瓶口吸住雞蛋後鬆開壓雞蛋的手,這時雞蛋就會壓實在瓶口上

4、一會雞蛋就會擠入瓶口中,再過幾分鐘的時間,雞蛋就會擠入瓶子中,落到瓶底


實驗現象:雞蛋被瓶口吸住後,然後慢慢的擠入瓶中,落到瓶底

現象解釋:玻璃瓶中加入熱水後,過一段時間,瓶子的溫度會升高。把熱水從瓶中倒出後,瓶子裡的水蒸氣會把瓶子裡的空氣排出去;雞蛋放在瓶口上後,雞蛋表面會與瓶口邊緣緊密的接觸在一起,阻擋了瓶子內外氣體的交換;當瓶子冷卻後,瓶子裡的水蒸氣凝結成了水,瓶內的氣壓會降低,雞蛋就會被瓶外的大氣壓力壓進瓶子裡。



實驗三:

實驗器材:塑料杯 吸管

實驗步驟

1、用剪刀分別在3個塑料杯中間部位戳個小孔

2、用吸管較短的一端插入小孔,使吸管口貼近塑料杯底

3、往小孔與塑料吸管相接的部位,滴1到2滴502膠水,風乾2分鐘,確保密封

4、將水杯依次疊加成一個梯形,並將帶有吸管的水杯放在每堆水杯最高位置,同時將吸管的下出水口放置於前一個水杯中用於接水

5、分別往帶有吸管的水杯各滴1滴食用色素,並往該水杯倒入少量清水,確保液面低於小孔位置

6、往最高處的水杯中倒入清水,確保液面高於小孔位置,然後觀察各個水杯中的水的流動情況




實驗現象:我們發現,當水杯液面持續升高但不超過小孔位置時,杯中吸管內的液面始終與杯中液面保持平齊。當水杯液面高於小孔位置後,水開始從吸管最高處往另一端流出,並且當水杯中的液面低於小孔位置後,吸管中的水依然持續往另一端流出,直到杯中吸管底端與液面平齊才停止。最終,3個杯子中的水匯集到最下面的杯子

現象解釋:虹吸的實質是因為液體壓強和大氣壓強而產生。因為h1<h2,,所以根據帕斯卡定律p=ρgh,裝置中左管中的液體壓強小於右管的液體壓強,另外,在B點跟C點分別有大氣壓的作用,大氣壓表現為上低下高,但在此處B點與C間高度相對地球的大氣壓計算高度來說,可以忽略兩者間的大氣壓強差值。所以,p1-ρgh1>p2-ρgh2,那麼在A左端的壓強就大於A右端的的壓強,在大氣壓和液體壓強的共同作用下,水朝一個方向移動。




大氣壓強的應用:

1.氣壓計

根據託裡拆利的實驗原理而製成,用以測量大氣壓強的儀器.氣壓計的種類有水銀氣壓計及無液氣壓計(下圖).其用途是:可預測天氣的變化,氣壓高時天氣晴朗;氣壓降低時,將有風雨天氣出現.另外,由於大氣壓強隨高度變化,所以用氣壓計可測量高度.大約每升高12米,水銀柱約降低1毫米,因此可測山的高度及飛機在空中飛行時的高度.


2. 抽水機

抽水機又名.水泵.是利用大氣壓的作用將水從低處提升至高處的水力機械.它由水泵、動力機械與傳動裝置組成.為適應不同需要,而有多種類型.常用的有.活塞式抽水機.和.離心式水泵.活塞式抽水機的結構簡單,操作方便,但出水量小,雖然理論上靠近地面的大氣壓強有10米水柱高,但在有能量損失的實際情況下,提水的高度只能達到八米左右,效率也較低.離心式水泵是一種利用水的離心運動的抽水機械,它的出水量大,提水高度高,價格貴,廣泛應用於農田灌溉、排水以及工礦企業與城鎮的給水、排水.


 

3. 飛艇

飛艇是一種輕於空氣的航空器,它與熱氣球最大的區別在於具有推進和控制飛行狀態的裝置。飛艇由巨大的流線型艇體、位於艇體下面的吊艙、起穩定控制作用的尾面和推進裝置組成。

由於大氣壓強隨高度變化,所以大氣層中也能產生浮力,但由於大氣壓隨高度的變化小,所以需要很大的物體才能產生較大的浮力。飛艇的體積很大,艇體的氣囊內充以密度比空氣小的浮升氣體(有氫氣或氦氣)藉以產生浮力使飛艇升空。吊艙供人員乘坐和裝載貨物。尾面用來控制和保持航向、俯仰的穩定。大型民用飛艇還可以用於交通、運輸、娛樂、賑災、影視拍攝、科學實驗等等。比如,發生自然災害時,通訊中斷就可以迅速發射一個浮空器,通過浮空氣球搭載通訊轉發器,就能夠在非常短的時間內完成對整個災區的移動通訊恢復。

 


未完待續......


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