ИЗМЕРЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ

ОБОРУДОВАНИЕ: вертикальная установка (на металлическом основании), имеющая шкалу, гибкую прозрачную трубку с водой и краном.

Воздух оказывает на все находящиеся в нём тела атмосферное давление, равное весу столба атмосферного воздуха с площадью основания, равной единице площади.

Приборы для измерения давления называются манометрами (общее название), барометрами (для измерения атмосферного давления) и вакуумметрами (для измерения низких давлений).

В жидкостных манометрах измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости соответствующей высоты. Простейшим является открытый манометр (рис. 1), U-образная трубка которого частично заполняется жидкостью (водой или ртутью). Измеряемое давление р связано с разностью уровней жидкости в коленах трубки h соотношением

где р_О – атмосферное давление;

r – плотность жидкости;

g – ускорение свободного падения.

Для измерения атмосферного давления часто применяют и ртутный барометр (рис. 2). В современных ртутных барометрах ртуть соприкасается с воздухом через эластичную пленку или диафрагму, и поэтому не испаряется и не проливается при опрокидывании барометра.

В деформационных манометрах измеряемое давление определяется по величине деформации различных упругих чувствительных элементов. В манометре Бурдона (рис. 3) используется тонкая изогнутая металлическая трубка овального сечения, которая под действием избыточного давления разгибается и перемещает связанную с ней стрелку-указатель. В быту используют барометр-анероид (рис. 4), который представляет собой герметичную гофрированную металлическую коробку, из которой выкачен воздух. Коробка при помощи системы рычагов соединена со стрелкой-указателем.

Для определения атмосферного давления в данной лабораторной работе используется изотермический процесс расширения воздуха, находящегося в прозрачной гибкой трубке с водой (рис. 5). Один конец трубки может герметично закрываться. В исходном состоянии (рис. 5а) уровни воды в двух концах трубки должны быть одинаковы, следовательно, воздух в закрытом конце трубки имеет давление равное атмосферному р_О.

При опускании открытого конца трубки (рис. 5б) давление воздуха в закрытом конце уменьшается на величину .

Воздух, находящийся в закрытом конце, занимает новый объём V. Процесс расширения воздуха можно считать изотермическим. Следовательно, можно записать уравнение:

(1)

Из этого уравнения выразим атмосферное давление p_O:

Так как Dp = rgh, V_O = SL_O, V = SL,

где S – площадь сечения трубки, L_O – начальная длина столба воздуха, L – конечная длина столба воздуха, то

. (2)

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

На металлическом основании закреплены миллиметровая лента и прозрачная гибкая трубка. На объём воздуха в закрытом конце трубке влияют несколько процессов: изменения атмосферного давления и температуры воздуха в комнате, а также, испарение воды в открытом конце трубке. Поэтому неподвижная часть трубки снабжена краном, позволяющим выравнивать уровни жидкости перед началом каждого опыта.

Подвижная часть трубки имеет съёмное крепление, позволяющее её перемещать по высоте.

Выполнение работы

1. Откройте кран в неподвижной части трубки для выравнивания уровней воды. При этом не следует прикасаться руками к неподвижной трубке, т.к. теплом рук она (и воздух в ней) нагревается, и условие изотермичности не будет выполняться.

2. Закройте кран неподвижной трубки и измерьте в ней по миллиметровой ленте длину L_O воздушного столба. Не забудьте включить в значение L_O столб воздуха, который находится в кране.

3. Опустите подвижный конец трубки в самое нижнее положение на установке. Измерьте длину L столба воздуха в неподвижной трубке (учтите также и столб воздуха в кране). Измерьте разность уровней воды h в трубках. (Измерения лучше проводить вдвоём: один человек опускает трубку, другой – производит измерения по миллиметровой шкале. Измерения надо проводить достаточно быстро из-за возможной негерметичности пневмосистемы.)

4. Проделайте п. 3 ещё два раза при других значениях h.

5. Вычислите атмосферное давление воздуха по формуле (2) и найдите среднюю величину. Сравните полученное значение атмосферного давления с показаниями барометра.

6. Рассчитайте погрешность: а) учитывая формулу (2) для однократного измерения; б) с использованием коэффициентов Стьюдента, предполагая, что три разных значения атмосферного давления в трёх опытах вызваны случайными ошибками.

ВНИМАНИЕ. После окончания всех измерений необходимо:

1) закрепить подвижный конец трубки в верхнем положении;

2) закрыть кран на неподвижной трубке.

Контрольные вопросы

1. Какие Вы знаете конструкции манометров?

2. В каких единицах измеряется атмосферное давление?

3. Какими способами можно повысить точность измерения атмосферного давления на данной установке?

4. Почему 1 мм рт.ст. = 133,3 Па?

5. Что такое «идеальный газ»?

6. Можно ли считать воздух идеальным газом?