Лабораторная работа: Вимірювання атмосферного тиску

Мета роботи :– використовуючи ізотермічний процес розширення чи стиснення повітря визначити атмосферний тиск.

Прилади і матеріали : дві скляні трубки, довжиною біля 50см кожна, з’єднані гумовою трубкою, гумовий корок з діаметром, рівним діаметру трубки, штативи, рулетка, вода, барометр.

Теоретичні відомості

Ізотермічнимпроцесом називають процес в газі, при якому не змінюється температура. Якщо при цьому не змінюється також і маса газу, то процес описується законом Бойля – Маріотта:

Для даної маси газу при сталій температурі добуток тиску на об’єм є величина стала:

. (1)

В даній роботі ізотермічний процес здійснюється з повітрям, що міститься в скляній трубці між поверхнею води і гумовим корком (див. мал. 1). Скляні трубки, з’єднані гумовою, заповнюються водою і закріплюються на штативах так, як показано на рис. 1а. Трубка зліва закривається корком; вимірюється довжина стовпа повітря l₁ . Тиск цього повітря дорівнює атмосферному p₁ =p_a . Потім штатив з правою трубкою опускається якомога нижче, і вимірюється довжина повітряного стовпа в лівій трубці l₂ (див. рис. 1б). Розширення повітря можна вважати ізотермічним; тиск повітря в трубці зменшується на величину гідростатичного тиску p=ρgh, тобто стає рівним: p₂ =p_a -p=p_a -ρgh.

Об’єм повітря в трубці дорівнює добутку площі поперечного перерізу трубки Sна довжину стовпа l: V₁ = S·l₁ ,V₂ = S·l₂ .

Вирази дляp₁ , p₂ , V₁ , V₂ підставимо в (1):

p_a ·S·l₁ =(p_a -ρgh)·S·l₂ (2)

Поділимо ліву і праву частину (2) на S, розкриємо дужки і розв’яжемо одержане рівняння відносно p_a :

p_a l₁ =p_a l₂ -ρghl₂ ; p_a (l₂ -l₁ )=ρghl₂ ;

(3)

Одержаний вираз (3) і є розрахунковою формулою в даній роботі.

Хід роботи

1. Переміщуючи трубки в штативах, встановіть їх так, як показано на рис.1а. Довжина повітряного стовпа l₁ повинна бути рівна 30 ¸ 40 см. Закрийте ліву трубку корком і виміряйте довжину l₁ .

2. Опустіть праву трубку приблизно на 1 м. (Для цього можна опустити штатив з трубкою на підлогу). Виміряйте l₂ і h. Для підвищення точності вимірювань h трубки слід розташувати одну під другою, на одній вертикалі.

3. За формулою (3) розрахуйте атмосферний тиск. Густина води ρ = 1000, прискорення вільного падіння g = 9,8. Порівняйте одержане значення p_a з показами барометра p_б . Зробіть висновок.

4. Результати вимірювань і обчислень зручно подати у вигляді таблиці 1:

Таблиця 1

№ п/п

l1 , м

l2 , м

h, м

pa , Па

рб , Па

5. Дослід повторіть з іншим значенням l_{1 .}

Додаткове завдання

Виконайте дослід, в якому повітря не розширюється, а стискається ізотермічно. Як при цьому зміниться формула (3)?

Контрольні запитання

1. Сформулюйте закони ідеальних газів: закон Бойля-Маріотта, закон Гей-Люссака, закон Шарля.

2. Накресліть графіки ізопроцесів в координатних осях(PV, PT, VT).

3. Чи можливий дослід Торрічеллі з використанням води замість ртуті?

4. Як можна підвищити точність вимірювання атмосферного тиску?