《大气压的变化》PPT课件.ppt

我们身边的大气压,制作人：物理系一班 冯育楠 陈禹润 白雪 邸玉娜 常琳 单虹,半杯本实验情况,将杯内分别注入大约9/10 2/3 1/3 容积的水 取不同薄片作实验，每一种薄片都分别盖在盛水不等的杯口，倒置后观察发生的现象。 用有机玻璃版盖在杯口，按紧倒置后只有9/10杯水 较易作到板不落水不洒，其它情况难以出现上述结果，并且杯内水越少，实验越难作成。若把有机玻璃板再擦上机油，9/10杯水也很难出现上述现象 改用三合板、旧唱片、纸箱板分别盖在上述盛水不等的水杯口，倒置后均能实现板不落，水不洒，水再减少，实验也就越加困难。 换用厚塑料纸、薄塑料纸、厚纸片、薄纸片等软质薄片，分别盖在盛水不等的杯口，倒置后均能实现板不落水不洒，只是薄塑料纸、薄纸片容易被水杯抽入杯内。 返回,对“半杯水”倒置托片不落现象的种种解释,一种解释认为，托板受到上下两方面的压力，托板下部由该处大气压强提供，上部除了气体产生的压强之外，另有水柱产生的压强，因此，上面的压强大于下面的压强。托板不落是因为托板还受到水向上的粘滞力的作用及四周表面张力的作用。 关于粘滞力的作用，它只能通过与器壁接触层才能起作用，设水杯呈圆柱形高约0.12m，内径约0.06m。就12杯水来分析，器壁与接触层相互间的粘滞力为： f=sDh =(1.1410-2)(3.140.060.122) 1.910-4(牛) 这个力仅相当于0.0l9g水的重量，而半杯水大约有160g。显然粘滞力的影响微不足道。至于表面张力，它的作用只能通过杯口才能发挥，暂且不谈水与杯口吸附力的制约。单就表面张力而言，它能提供的向上的最大合力为： F=al=aD =(7310-3)3.140.06 1.410-2(牛) 这个力连托片自身也难以维持。可见，把托板不落归结为粘滞力和表面张力是站不住脚的。其实，这个问题我们完全可以不去计算而直接推理判断它的正误。设想如果维持半杯水不落的原因是粘滞力和表面张力的作用，那么，水杯倒置后拿开托片，水也不会从杯内骤然洒落，这显然与事实不符。 返回 下一页,还有一种解释认为分子引力在起作用。众所周知，流体本身最显著的特点之一就是它的流动性。之所以流动正是因为构成流体的分子结构松驰，相互引力很小，才使得整体无固定形状，因此依靠引力来平衡自身的重量是不可能的，更何况杯内水柱上表面没有受到任何向上的拉力。 在用有机玻璃板作实验时，板面光滑平整，与杯口接触严紧，按紧倒置过程中水一般不会外流，若封存空气在110容积以内，倒置后一般能实现平衡。但仔细观察，玻璃板与杯口之间总会出现较小的离缝。若用手从下向上顶玻璃板，可感觉到狭缝的存在，这说明杯内水柱已下移，上部气体密度已减小，由于大气压相当于10米高水柱产生的压强，而杯水一般不足0.1米高，故上部空气密度只需减小1%就能维持水和托板不落。 有人会说：既然托板和杯口可以离缝，若杯内空气封存得多，离缝大些不就照样实现平衡了吗？不行，离缝的大小还受到表面张力的制约。杯口与托板间的离缝呈如图形态。狭缝过大，水的表面层曲率减小，内向收缩力减小，水就可能破面而出。因此，只要控制倒置过程水不外流，要实验成功，杯内封存在的空气就不能太多。 用三合板、旧唱片、纸箱板等作实验，由于杯口与板接触不太严紧，加之这些材料与水的浸润作用良好，在倒置过程中往往有少量水外流，这样就造成杯内气体压强的较大减小，出现13杯水倒置后仍不外流的现象。用上述材料作实验还可以发现，水与板的浸润性越好，实验越容易成功。尤其是纸箱板，自身的渗水作用就足以使13杯水实现平衡倒置。当然，在这种情况，如果水的外流很少，仍会出现离缝来调整杯内气体的压强。 用软质薄片作实验，手在按着薄片倒置过程中已使薄片向杯内凸入，倒置后随着杯口上下压力平衡的需要，它会自动调节凹凸程度实现平衡，它的调整范围远大于硬质托片，封存气体的能力最大。 上一页 返回,水杯倒置实验的研究,满杯水实验情况 半杯本实验情况 对“半杯水”倒置托片不落现象的种种解释 返回主页,满杯水实验情况,取一满杯水，分别用不同薄片覆盖杯口，观察水杯倒置后的情况。 用有机玻璃板、塑料板、三合板、旧唱片、纸箱板等硬质薄板，细心操作，倒置后薄片不掉、水不洒，实验现象正常。 将有机玻璃板用机油均匀擦涂(这样水与有机玻璃板不再浸润)，重作上述实验，仍能成功。 用厚塑料纸、薄塑料纸、布、厚纸片、薄纸片等软质薄片覆盖杯口，倒置后薄片不掉，但稍后，薄塑料纸、布、薄纸片被水杯吸入上方，水沿杯子边缘外流洒落。 上述实验说明，满杯水时，无论选用何种薄片，实验都能作成，但使用薄塑料纸、布、薄纸片现象不稳定，容易被水杯抽入，这主要是因为它们本身强度小，倒置后杯口稍有水外流，上部压强减小，纸片局部略有上移即被吸入杯内，随之水全部洒出。 返回,科学与我们零距离 人体与大气压 大气压的五种变化 生活中的大气压,世界之闻名实验 宿舍里的小实验 图纸演示实验 我们的研究,大气压的五种变化,大气压随地势高低的变化 大气压随地理纬度的变化 大气压的日变化 大气压的年变化 大气压随气候的变化 返回主页,大气压随地势高低的变化,从微观角度看，决定气体压强大小的因素主要有两点：一是气体的密度n；二是气体的热力学温度T。在地球表面随地势的升高，地球对大气层气体分子的引力逐渐减小，空气分子的密度减小；同时大气的温度也降低。所以在地球表面，随地势高度的增加，大气压的数值是逐渐减小的。如果把大气层的空气看成理想气体，我们可以推得近似反映大气压随高度而变化的公式如下： p=p0exp(-ghRT) (为空气的平均摩尔质量，P0为地球表面处的大气压值，g为地球表面处的重力加速度，R为普适气体恒量，T为大气热力学温度，h为气柱高度) 由上式我们可以看出，在不考虑大气温度变化这一次要因素的影响时，大气压值随地理高度h的增加按 指数规律减小，其函数图象如图所示。在2km以内，大气压值可近似认为随地理高度的增加而线性减小；在2km以外，大气压值随地理高度的增加而减小渐缓。所以过去在初中物理教材中有介绍：在海拔2千米以内，可以近似地认为每升高12米，大气压降低1毫米汞柱。,从,大气压随地理纬度的变化,地球表面大气层里的成份，变化比较大的就是水汽。人们把含水汽比较多的空气叫“湿空气”，把含水汽较少的空气叫“干空气”。有些人直觉地认为湿空气比干空气重，这是不正确的。干空气的平均分子量为28.966，而水气的分子量只有18.106，所以含有较多水汽的湿空气的密度要比干空气小。即在相同的物理条件下，干空气的压强比湿空气的压强大。 在地球表面，由赤道到两极，随地理纬度的增加，一方面由于地球的自转和极地半径的减小，地球对大气的吸引力逐渐增大，空气密度增大；另一方面由于两极地区温度较低，所以空气中的水汽较少，可近似看成干空气，所以由赤道向两极，随地理纬度增加，大气压总的变化规律是逐渐增大(因气候等因素影响，局部某处的大气压值变化可能不遵循这一规律)。,大气压的日变化,对于同一地区，在一天之内的不同时间，地面的大气压值也会有所不同，这叫大气压的日变化。一天中，地球表面的大气压有一个最高值和一个最低值。最高值出现在910时。最低值出现在1516时。 导致大气压日变化的原因主要有三点。一是大气的运动；二是大气温度的变化；三是大气湿度的变化。 日出以后，地面开始积累热量，同时地面将部分热量输送给大气，大气也不断地积累热量，其温度升高湿度增大。当温度升高后，大气逐渐向高空做上升辐散运动，在下午1516时，大气上升辐散运动的速度达最大值，同时大气的湿度也达较大值，由于此二因素的影响，导致一天中此时的大气压最低。16时以后，大气温度逐渐降低，其湿度减小，向上的辐散运动减弱，大气压值开始升高；进入夜晚；大气变冷开始向地面辐合下降，在上午910时，大气辐合下降压缩到最大程度，空气密度最大，此时的大气压是一天中的最高值。,大气压的年变化,同一地区，在一年之中的不同时间其大气压的值也有所不同。这叫大气压的年变化。大气压的年变化，具体又分为三种类型，即大陆型、海洋型和高山型。其中海洋型大气压的年变化刚好与大陆型的相反。通常所说的“冬天的大气压比夏天高”，指的就是大陆型大气压的年变化规律。下面对此略做分析(另外两种情况不做讨论)。 由于大气处于地球周围一个开放没有具体疆界的空间之内，这就使它与密闭容器中的气体有着很多区别。夏天，大陆中的气温比海洋上高，大气的湿度也比较大(相对冬天而言)，这样大陆上的空气不断向海洋上扩散，导致其压强减小。到了冬天，大陆上气温比海洋上低，大陆上的空气湿度也较夏天小，这样海洋上的空气就向大陆上扩散，使大陆上的气压升高。这就是大陆上冬天的大气压比夏天高的原因(大气温度也是影响大气压的一个因素，但在这里决定大气压变化的因素不是气温，而是大气的流动及大气的密度)。,大气压随气候的变化,大气压随气候变化的情况比较多，但最为典型的就是晴天与阴天大气压的变化。有句谚语叫“晴天的大气压比阴天高”，反映的就是大气压的这一变化规律。 通常情况下，地面不断地向大气中进行长波有效辐射，同时大气也在不断地向地面进行逆辐射。晴天，地面的热量可以较为通畅地通过有效辐射和对流气层的向上辐散运动向外输运。阴天时，云层减少了对流层大气向外的辐散运动。云层这种保存地表和对液层热量的作用称为“温室效应”。这样，阴天地区的大气膨胀就比较厉害，从而导致阴天地区的大气横向向外扩散，使空气的密度减小，同时阴天地区大气的湿度比较大，也使大气的密度减小。因这两个因素的影响，从而导致阴天的大气压比晴天的大气压低。,宿舍里的小实验,覆杯实验（薄纸 硬纸板 塑料板） 笔管提水 返回主页,塑料板,返回,硬纸板,返回,笔管提水,返回,世界之闻名实验,马德堡半球实验 托里拆利 实验 返回主页,马德堡半球实验,著名的马德堡半球实验生动而有力地证明了大气压强的存在，使人们认识了大气压的强悍：1654年5月8日，在德国的马德堡市发生了一件新闻：德国国王和贵族们都赶来观看一个实验，主持这个实验的是这座城市的市长奥托格利克，他是一位热心科学实验的科学家。得知托里拆利实验后，也放下公务，做起了科学实验。 格利克定做了两个直径约37厘米的空心铜半球，这两个半球做得很精密，把两半对好合起来可以不漏气。格利克在一个半球上装一了一个活门，从这里可以接上抽气筒，把球里的空气抽出来。把活门关好，外面的空气不能进入球里，可以保持球里为真空。格利克在每个半球的拉环上拴了8匹马，叫它们向相反的方向拉两个半球，赶马人用鞭子驱赶着马，16匹马拉得十分用力，然而两个半球仍旧紧紧地合在一起，没有拉开。 拉呀，拉呀，突然“啪”一声巨响，好像放炮一样，16匹马终于把两个半球拉开了。 由此思考,由马德堡半球想到：,格利克把两个半球仍旧合上，并抽出球里的空气。换一个实验方法：把活门打开？让外面的空气进入球里。这时，只要用两只手就能很容易地把两个半球拉开，不费什么力气。 这就是说，当钢球内成为真空的时候，每个半球上受到的大气压力相当于8匹马的拉力那么大。马德堡半球实验生动而有力地证明了大气压强的存在，显示了大气压强是很大的。 用这个实验还可以解释为什么人没有被大气压力压扁的问题。从实验可以看出，当球里面成为真空的时候，巨大的大气压力才表现出来；而当把活门打开，球内外相通，球里充满空气时，里面气体的压强和外边的大气压强相同，它们就相互抵消了。人体内部同样是充满空气的，人体内部的压强跟外部的大气压强相等，互相平衡，所以人不觉得受到巨大的大气压力。 马德堡半球实验展现了大气压的强悍，按照托里拆利的计算，大气对物体的压力，1平方厘米大约1千克的重力。一般人的身体表面积约2平方米，因此我们每时每刻承受着大气2万千克的压力。2万千克？那我们岂不是被压成了肉饼！不要担心，我们与马德堡半球还是有区别的，它的内部是真空的，而我们的身体里含有空气。“不识庐山真面目，只缘身在此山中”，感觉不到大气的沉重，是因为我们的身体被大气所包含、所渗透。,返回,托里拆利 实验,伽利略的学生托里拆利完成了伽利略的夙愿。受伽利略的启发，托里拆利考虑，如果选用比水的密度大很多的液体，能够汲取的高度就会很矮。日常环境中，密度大的液体首推水银，也就是汞，一种液态的金属，密度是水的13.5倍。托里拆利在一根约1米长的玻璃管里灌满水银，把开口的一端先塞住，将玻璃管倒立在盛水银的盘子里，然后拔出塞子。这时管子里的水银在重力的作用下流到盘子里，水银柱的上方形成了真空。但是，当管内水银面降低到比盘内水银面高出760毫米时，汞就不再从竖直的管子里流出，而是一直保持这个高度了。从原理上看，这个装置是世界上第一个“气压计”。 玻璃管中的水银柱会保持固定的高度，怎么解释这个现象呢？托里拆利的合作者维瓦尼提出，厚厚的大气向下压在盘子里的水银上，大气压的力量与760毫米水银柱的重力势均力敌，从而令水银柱始终保持一个高度。 由于托里拆利的玻璃管中出现了真空，于是，人类能够制造真空、大气有质量的消息不胫而走，全欧洲的科学家都激动起来。法国数学家帕斯卡不但在家里做实验，还跑到山上做，与山下的实验做对比，发现海拔会影响大气压的数值。这不难理解，在高山上，头顶上的大气要薄一些，大气压也就低了。,返回,图纸演示实验,铁盒变形 吞蛋实验 大气压随高度变化实验 喷泉实验 抽气实验 返回主页,铁盒变形,抽出空气,抽出空气之后,上一页,返回,将拨皮的熟鸡蛋放在瓶口不漏下,把燃着的酒精棉放入瓶中,鸡蛋掉入瓶中 返回 上一页,大气压随高度变化实验,自制简易高度计，从玻璃管上端的开口处吹入少量空气，使瓶内气压增大。停止吹气后，瓶内染色水沿着管子上升。控制吹气量，使管内水面停在塞子以上的合适位置。这时，瓶内气体的压强是一定的。将此高度计从讲台举高或放到地面时，观察水柱的高度有明显变化；这表明大气压强随高度变化 而变化 返回,将塑料瓶中的空气抽出,返回,喷泉实验,将图一所示装置放入图二中,上一页 返回,人体与大气压,人体与大气有不可分离的密切关系，这不仅是由于人体需要呼吸和调节体温，大气对于人体还有一种不易被人们觉察到作用大气的压力（即大气压）。一名优秀的游泳运动员在几分钟之内不呼吸还不成问题。但如果没有大气压力，恐怕连几秒钟也生存不了。年月，前苏联载人航天器“联盟号”返回后，打开舱门一看，名宇航员都已死亡，连挣扎的痕迹都没有。事后调查，原来是航天器漏气，使座舱里人工大气压猛然下降，人体突然暴露在没有大气压的宇宙空间，一瞬间就丧失了生命。 一般认为，标准的大气压是.千克厘米2，照此计算，一个成年人的人体总共要受到吨重的大气压力，听起来真令人大吃一惊。由于大气压强总是从各个不同的方向作用于同一点的，并且大小相符，每两个相反的压力便互相抵消，因此我们人体才感觉不到那样大的压力，但它却是实实在在地存在着。我们从一诞生就适应了这种大气压力，并且只有依靠它才能生存。 就说呼吸吧！当吸气中枢兴奋时，通过膈神经使胸腔和腹腔间的横膈肌肉收缩，胸腔容积扩大，肺气泡也跟着扩大，使其中的气压下降，并低于外部大气压。于是外界空气就在大气压的作用下，从鼻孔或嘴部流进肺部，进入肺气泡。呼气的情况正好相反，由于胸腔容积缩小，肺内空气收缩，内部压强大于外部，气体便从肺里呼出来。,返回主页,下一页,我们通常所说的：“吐故纳新”也是同样道理，它取决于氧气、二氧化碳在肺气泡与肺气泡毛细血管中血液里的分压差。据测定正常人肺气泡的氧分压力毫米，而血液中的氧分压才毫米，所以氧能从肺气泡扩散到毛细血管，进入血液。而肺气泡的二氧化碳分压是毫米，血液中的二氧化碳分压是毫米，使肺气泡毛细血管的二氧化碳得以向肺气泡扩散，由肺部吐出。 如果大气压强出现大幅度下降，必然引起肺气泡里氧分压的减小，那么肺气泡里的氧分压与血液中的氧分压之间的差值也随之减小，甚至还会出现负值。这时血液中的纳氧力就会变差或出现“吐氧”，生理上就出现一系列不正常的反映，严重的将引起死亡。雷雨之前我们常出现胸闷、头昏、情绪烦躁等症状，这与气压的下降有很大关系。人们登上高山时出现的高山反映，其中原因之一就是高山“缺氧”，使“吐故纳新”发生障碍造成的。 大气压的下降不但能造成“缺氧”，也会引起人体内腔窝扩大，产生窦膨胀和窦炎。还会出现全身血管扩张，容血量增大，不但导致脑血管的贫血，又增加了心脏的负担。人们的眼球也会因为气压下降而向外膨胀变形，从而影响视力。 上一页 下一页,更为有趣的是，我们人体还靠大气压把腿和上身连接起来。原来，人腿里有块股骨。股骨头部是一浑圆球体，嵌在身体时髋骨臼的凹部。尽管股骨头部和髋骨之间用关节串连起来，并且用韧带系住了它们，但如果仅仅是这样，我们就会感到两条腿非常沉重，甚至难以拖动它们。而实际上股骨与髋骨之间有一个没有大气的空腔，空腔内不存在向外的作用力，那里是个天然的“马德堡半球”，因而股骨是靠外部大气压紧紧地压在身体上的。有人在尸体解剖后作过测算，作用在股髋关节上的大气压力约为千克，大大超过了下肢重量，因此我们抬起腿来走路便不觉得费力了。 实际上，肩关节、肘关节和膝关节等处都有这样一个关节腔，大气压在这些关节上同样发挥了奇妙的功能。 上一页,科学与我们零距离,大气像浩瀚无边的海洋紧紧地包裹着地球表面，人们生活在地球上承受着大气给予人体的压力。通常情况下，人们几乎没有感觉到这种压力，这是因为身体内外、前后左右所受到的压力处于平衡状态。但在某种特定的环境中就能发现它的确存在，如强冷空气袭来或闷热低气压出现，高血压、心脏病患者会有不良的感觉。在疾风中奔跑时，人们总能体会到前胸比后背的压力要大得多。 大气压及产生的原因 标准大气压值及其变迁 大气压与天气预报 大气压对液体沸点的影响 返回主页,大气压及产生的原因,空气有一定的重量，它就会对人和任何物体施加一种压力。大气的这种压力称为气压，是指大气施加于单位面积上的力。所谓某地的气压，就是指该地单位面积垂直向上一直延伸到大气顶空气的总重量。空气柱中的空气越多，压力也就越大。地球上地形差别很大，山峦起伏，高山顶上空气稀薄，山顶的气压就要比山谷低。 关于大气压强产生的原因，在辞海和初中物理教材中解释为是由于大气层的重量产生的，但是在现行高中物理与普通物理教材中又认为是由于气体分子对与其接触的物体的碰撞产生的。这两种说法各有其实验基础。初中物理教学中，教师常托里拆利实验来显示由大气重量产生的压强可以和?6Cm左右的汞柱产生的压强相平衡，用以证明大气压是由大气层的重量产生的。而在高中教学中，教师在空杯子口蒙上一层弹性薄膜，由于薄膜呈水平状，说明杯子内外的空气对薄膜的压强是相等的。然而杯中空气柱的重量是绝对不足以产生像76CmHg这么大的压强的，这只能使人“相信”杯中的气压是由于空气分子对杯壁的密集的、激烈的碰撞的效应了。经过科学家们的推算，把大气压强看成是由大气分子的频繁碰撞产生的效应比把它看成是由大气层重量产生的更科学些。因此应该选2，但是应该补充的是不仅仅是无规则运动，而应该更明确的是分子间由于无规则运动产生的频繁的碰撞产生但其压强的。,返回,标准大气压值及其变迁,标准大气压值的规定，是随着科学技术的发展，经过几次变化的。最初规定在摄氏温度0、纬度45、晴天时海平面上的大气压强为标准大气压，其值大约相当于76厘米汞柱高。后来发现，在这个条件下的大气压强值并不稳定，它受风力、温度等条件的影响而变化。于是就规定76厘米汞柱高为标准大气压值。但是后来又发现76厘米汞柱高的压强值也是不稳定的，汞的密度大小受温度的影响而发生变化；g值也随纬度而变化。 为了确保标准大气压是一个定值，1954年第十届国际计量大会决议声明，规定标准大气压值为： 1标准大气压101325牛顿米2次方,返回,大气压与天气预报,当你收听无线电台的天气形势广播时，常听到“高气压”、“低气压”、“高压脊”、“低压槽”等词。这些词都是指的大气压在某一区域的分布类型，那么为什么大气压与天气预报有如此密切的关系呢？ 地球表面上的风、云、雨、雪，万千气象，都跟大气运动有关系，而造成大气运动的动力就是大气压分布的不平衡和气压分布的经常变化。由于地球表面各处在太阳照射下受热情况不同，各地的空气温度就有较大差别。温度高的地方，空气膨胀上升，空气变得稀薄，气压就低；温度低的地方，空气收缩下沉、密度增大，气压就高。另外，大气流动也是造成气压不平衡和经常变化的重要因素。这样在地理情况千差万别的地球表面上空，就形成各种各样的气压分布类型，多种气压类型的组合就构成了一定的天气形势，而决定着未来的风云变幻。 下一页,气象工作者为何能根据各种气压类型来预报天气呢？这是因为事物间总是相互联系、互为因果的，而一定的气压类型往往导致一定的天气现象出现。例如，在高气压控制的区域，由于低处的空气不断从高压中心向外流散，上层空气就要下沉填补。空气在下沉过程中体积压缩（因大气压随高度的减小而增大），温度升高，原来空气中的细小水珠就会蒸发消散，不利于云雨的形成。因此高压中心附近地区常常是天气晴朗。而在低气压控制的区域，低层空气是从周围流向低压中心，使低层空气堆积上升。空气在上升过程中体积膨胀，温度降低，空气中的水蒸汽凝