Фізика 9 клас - Тиск твердих тіл, рідин, газів. Закон Паскаля. Атмосферний тиск

Тиск твердих тіл, рідин, газів. Закон Паскаля. Атмосферний тиск

Тиск твердих тіл

Результат дії сили на тіло залежить не лише від її модуля, напряму і точки прикладання, а й від того, до якої площі поверхні вона прикладена.

Результат дії сили залежить і від її величини. Чим більша сила, що діє на тіло, тим і більшим буде результат її дії.

Результат дії сили залежить від її модуля і від площі тієї поверхні, перпендикулярно до якої вона діє.

Силу, яка діє перпендикулярно до поверхні тіла, називають силою тиску. У розглянутих випадках силою тиску є вага бруска або лижника (разом з лижами), сила, з якою вістря шила діє на лист картону. Домовилися розраховувати силу тиску, яка припадає на одиницю площі поверхні тіла, що дає змогу передбачити результат дії сили. У зв’язку з цим уводять нову скалярну фізичну величину, яку називають тиском.

Тиском називають відношення модуля сили тиску до площі поверхні тіла, на яку ця сила діє. Тиск позначають літерою р. Щоб його визначити, потрібно силу тиску (F) поділити на площу поверхні (S):

За одиницю беруть такий тиск, який чинить сила 1 Н, що діє на поверхню площею 1 м2 перпендикулярно до цієї поверхні.

Одиниця тиску має і свою назву, і позначення. Вона названа паскалем (1 Па) на честь французького вченого Блеза Паскаля.

1 Па = 1 Н/м2.

1 Па — це дуже малий тиск. 1 Н — це сила тяжіння, яка діє на гирку масою 102 г. Щоб вона створювала такий тиск, потрібно, щоб її дія була рівномірно розподілена по плоскій поверхні із площею 1 м2. Можна підрахувати, що для того, щоб лижі (разом з вами) створювали на сніг тиск 1 Па, вам знадобляться лижі завдовжки 6 км. Тому в фізиці і техніці використовують більші (кратні) одиниці тиску: гектопаскаль (1 гПа), кілопаскаль (1 кПа) і мегапаскаль (1 МПа).

1 гПа = 100 Па = 102 Па;

1 кПа = 1000 Па = 103 Па;

1 МПа = 1000000 Па = 106 Па.

Тиск газів

Оскільки молекулярна будова газів відрізняється від будови твердих тіл, то і природа тиску газів відрізняється від природи тиску твердих тіл на опору.

Дрібні частинки рідини і газу можуть вільно переміщатися відносно один одного в усіх напрямках, тому тиск, що передається рідинами і газами, відрізняється від тиску, який передається твердими тілами.

Рух молекул твердої речовини

Рух молекул рідини

Рух молекул газу

Розміри молекул дуже малі, і сила удару також мала. Але число молекул газу в посудині дуже велике (в 1 см3 міститься приблизно 1019 молекул). Саме сумарною дією ударів молекул газу спричинюється тиск газу на стінки посудини (і на вміщене в газ тіло).

Для того щоб збільшити тиск газу, потрібно або збільшити кількість ударів молекул об стінки посудини, або збільшити силу ударів, або зробити і те й інше одночасно.

При збільшенні маси газу його тиск збільшується

При зменшенні об’єму заданої маси газу — тиск збільшується

Тиск газу в закритій посудині буде тим більший, чим вища температура газу, за умови, що маса газу не змінюється

Тиск рідин. Закон Паскаля

Унаслідок земного тяжіння рідини також мають вагу, тому кожен верхній шар рідини своєю вагою тисне на шари, що міститься нижче. Тиск у рідинах називають гідростатичним. Гідростатичний тиск рідин залежить від густини рідини й висоти стовпа рідини в посудині.

Візьмемо високу посудину, у стінках якої на різних висотах є отвори. Прикриємо отвори й заповнимо посудину вщерть водою. Коли відкриємо отвори, то побачимо, що з усіх отворів почне витікати вода. Однак падають ці струмені на різних відстанях від посудини. Той, що витікає біля дна, сягає найдальшої від посудини точки. Це пояснюється тим, що тиск води біля дна — найбільший.

Чим більший стовп рідини, тим більший тиск

Тиск рідини на дно і на стінки посудини дорівнює добутку густини рідини, прискорення вільного падіння і висоти стовпа рідини.

Приєднаємо до трубки з поршнем порожнисту кулю з безліччю маленьких отворів.

Наповнимо кулю водою і натиснемо на поршень. Тиск у трубці збільшиться, вода почне виливатися через всі отвори, при цьому напір води у всіх струмках буде однаковим.

Такий же результат можна отримати, якщо замість води використовувати дим.

Рідини і гази передають в усіх напрямках не тільки діючий на них тиск, а й той тиск, який існує всередині них завдяки вазі власних частинок. Верхні шари тиснуть на середні, а середні — на нижні, нижні — на дно.

Цю особливість дослідив французький фізик Блез Паскаль, який сформулював закон, названий на його честь законом Паскаля.

Тиск, який діє на рідину або газ, передається ними в усіх напрямах однаково.

Атмосферний тиск

Ви добре знаєте, що планета Земля оточена газовою оболонкою — атмосферою. До складу атмосфери входять такі гази, як азот, кисень, вуглекислий газ, аргон, водень та ін. Повітря, як і інші гази, має масу.

Атмосфера починається біля поверхні Землі й простягається в космічний простір приблизно на 100 км. Чому ж існує повітряна оболонка Землі?

Повітря, як і будь-які інші речовини, складається з молекул і атомів. Молекули й атоми мають масу, тому вони притягуються до Землі завдяки дії сили тяжіння.

Разом із тим величезна кількість молекул газів, що складають атмосферу, перебувають у неперервному хаотичному русі — весь час вони зіштовхуються, відскакують одна від одної, змінюють значення та напрямок швидкості свого руху... Через це вони не падають на Землю, а перебувають у просторі біля неї.

За підрахунками, атмосфера Землі має масу близько 5 • 1018 кг. Під дією сили тяжіння верхні шари атмосфери тиснуть на її нижні шари, тому повітряний шар навколо поверхні Землі стиснутий найбільше і, згідно із законом Паскаля, створює тиск на поверхню Землі й на всі тіла поблизу неї. Це і є атмосферний тиск (pатм).

Скляну трубку завдовжки близько метра, запаяну з одного кінця, Торрічеллі доверху наповнив ртуттю. Потім, щільно закривши отвір, перевернув трубку, опустив її в чашу із ртуттю і відкрив отвір — частина рідини з трубки вилилася в чашу. У трубці залишився стовп ртуті приблизно 760 мм заввишки, а над ртуттю утворилася порожнеча.

Провівши численні досліди, Торрічеллі встановив: висота стовпа ртуті, що залишається в трубці, не залежить ані від довжини трубки, ані від її діаметра. Висота трохи змінюється тільки залежно від погоди.

Торрічеллі також знайшов відповідь на те, чим визначається саме така висота стовпа ртуті.

Однорідна рідина в трубці та чаші не рухається, і це означає, що, згідно із законом Паскаля, тиск на поверхню ртуті з боку атмосфери і гідростатичний тиск стовпа ртуті в трубці є однаковими. Тобто тиск стовпа ртуті висотою 760 мм дорівнює атмосферному.

Тиск, який створює стовп ртуті висотою 760 мм, називають нормальним атмосферним тиском:

pатм.н = 760 мм.рт.ст.

У даному випадку за одиницю атмосферного тиску прийнято один міліметр ртутного стовпа (1 мм рт. ст.).

Подамо нормальний атмосферний тиск в одиницях CI — паскалях. Ви вже знаєте, що гідростатичний тиск обчислюють за формулою: p = pgh.

У фізиці й техніці також використовують позасистемну одиницю атмосферного тиску — фізичну атмосферу (1 атм).

Одна фізична атмосфера дорівнює нормальному атмосферному тиску: 1атм ≈ 100 кПа.

Атмосферний тиск залежить від висоти над рівнем моря. Це пояснюється тим, що повітря добре стискуване, так само, як і всі гази. Верхні шари повітря діють на нижні і стискають їх. Відповідно густина повітря і тиск біля поверхні Землі більші, ніж на певній висоті над нею.

Так, у місцевості, що лежить на рівні моря, тиск становить біля 760 мм рт. ст., тобто дорівнює нормальному атмосферному тиску. У горах він менший. Вимірювання показують, що до висоти 2000 м на кожні 12 м підйому атмосферний тиск зменшується приблизно на 1 мм рт. ст. З подальшим збільшенням висоти атмосферний тиск зменшується повільніше. Так, на висоті 8000 м він складає 267,4 мм рт. ст., а на висоті 50 км — 0,6 мм рт. ст.

Перевір себе

Дайте відповідь на запитання

1. Наведіть приклади, які підтверджують, що дія сили залежить від площі поверхні, на яку діє сила.

2. Що називають тиском? Як визначають тиск? Які одиниці тиску?

3. Як можна змінювати тиск?

4. Що називають атмосферним тиском? Чому він існує?

Поясніть

1. Як зміниться тиск і сила тиску людини на підлогу, якщо вона підніме одну ногу?

2. Чому на м’якому ліжку лежати набагато приємніше, ніж на твердій підлозі?

Задачі

1. Площа гострого кінця голки становить 0,01 мм2. Який тиск створить голка під час шиття, якщо на неї подіяти силою 10 Н? Відповідь подати в МПа.

2. Ейфелева вежа в Парижі має площу основи 450 м2. Визначте тиск вежі на Землю, якщо її маса 9000 т.

3. Який тиск чинить лижник масою 70 кг на сніг, якщо довжина кожної лижі 1,75 м, ширина 8 см?

4. Куб, довжина ребра якого 10 см, занурюють у воду так, що його верхня грань знаходиться на глибині 15 см. Визначте силу тиску води на нижню і бічну грані.

5. Бак, площа основи якого 100x60 см2, а висота 40 см, повністю заповнений водою. Визначте силу тиску води на дно бака.

6. Акваріум, що має висоту 32 см, довжину 50 см і ширину 20 см заповнено водою, рівень якої нижче від краю на 2 см. Визначте тиск води на дно акваріума та вагу води. З якою силою вода тисне на стінку шириною 20 см?

7. Виразіть у паскалях артеріальний тиск крові, верхня межа якого становить 120 мм рт. ст., а нижня — 80 мм рт. ст.

5. Барометр показує у класі атмосферний тиск 740 мм рт. ст., а в цей самий час біля річки — 760 мм рт. ст. На якій висоті відносно річки знаходиться школа?

6. Обчисліть, яка приблизно сила діє на людину з боку повітря, якщо атмосферний тиск становить 740 мм рт. ст. Площу поверхні тіла людини візьміть рівною 1,5 м2.

7. Виразіть у паскалях артеріальний тиск крові, верхня межа якого становить 120 мм рт. ст., а нижня — 80 мм рт. ст.

8. Барометр показує у класі атмосферний тиск 740 мм рт. ст., а в цей самий час біля річки — 760 мм рт. ст. На якій висоті відносно річки знаходиться школа?

9. Обчисліть, яка приблизно сила діє на людину з боку повітря, якщо атмосферний тиск становить 740 мм рт. ст. Площу поверхні тіла людини візьміть рівною 1,5 м2.

Page updated

Google Sites