Секрет магдебургских полушарий.

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа с. Яковлевка»

Яковлевского муниципального района

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА ПО ТЕМЕ:

«СЕКРЕТ МАГДЕБУРГСКИХ ПОЛУШАРИЙ»

ФИЗИКА

6-8 класс

2016 г.

Цель: доказать, что давление в газах имеет очень важную роль для живых организмов, вызвать интерес к познанию мира.

Задачи:

1) изучить давление в газах как физическую величину путём анализа литературы и статей ресурс-Интернета;

2) провести эксперимент по измерению атмосферного давления на разной высоте;

3) провести эксперимент по исследованию закона Паскаля;

4) установить основные области использования давления человеком и животными;

5)провести физические опыты, связанные со свойствами газов;

6) представить проект семиклассникам для достижения цели исследовательской работы;

7) построить диаграммы по результатам экспериментов.

Гипотеза: давление в газах играет очень важную роль для живых организмов.

Объектом моего исследования является  газ.

Предмет исследования: давление в газах.

Методы исследования: анализ литературы и статей ресурс-Интернета, наблюдение, изучение и обобщение, сравнение, анкетирование,, составление диаграмм и брошюры.

Применение: в быту, для углубления знаний по физике, чтобы вызвать интерес к познанию мира.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ        4

1. ИСТОРИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ В ГАЗАХ        5

1.1 СЕКРЕТ МАГДЕБУРГСКИХ ПОЛУШАРИЙ        5

1.2. ЧТО ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ ДАВЛЕНИЕ В ГАЗАХ        5

2. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ИЗМЕРЕНИЮ ДАВЛЕНИЯ И ВЕСА ГАЗА        7

2.1. ИЗМЕРЕНИЕ ВЕСА ВОЗДУХА        7

2.2 ИЗМЕРЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ НА РАЗНЫХ ВЫСОТАХ        7

2.3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЗАКОНА ПАСКАЛЯ        8

3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА        10

3.1. ПРИМЕНЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА В ТЕХНИКЕ        10

3.2. ЗНАЧЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА ДЛЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ        10

3.3. ОПЫТЫ С АТМОСФЕРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ.        11

ЗАКЛЮЧЕНИЕ        14

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ        15

ПРИЛОЖЕНИЕ 1, 2        16

ВВЕДЕНИЕ

Вот посмотри: всякий раз, когда солнечный свет проникает

В наши жилища и мрак прорезает своими лучами,

Множество маленьких тел в пустоте, ты увидишь, мелькая,

Мечутся взад и вперёд в лучистом сиянии света.

Будто бы в вечной борьбе они бьются в сраженьях и битвах,

В схватке бросаются вдруг по отрядам, не зная покоя…

Лукреций

Я люблю наблюдать за природой, за явлениями, происходящими внутри неё, отвечать на загадки, заданные ею. Одна из загадок, которая долго не поддавалась решению - давление газов.

Мы в своей жизни не всегда задумываемся над тем, какую роль в нашей жизни играет давление. Каким же образом, зная физический смысл давления и свойства газов, использовать эти знания в своём повседневном общении с природой и в быту? Ответы на этот и другие вопросы я постараюсь дать в данном проекте.

Я задался целью моей работы - доказать, что давление в газах имеет очень важную роль для живых организмов, вызвать интерес к физике.

Я выдвинул гипотезу: давление в газах имеет очень важную роль для живых организмов.

Для достижения цели моей работы я решил следующие задачи:

1) изучить давление в газах как физическую величину путём анализа литературы и статей ресурс-Интернета;

2) провести эксперимент по измерению атмосферного давления на разной высоте;

3) провести эксперимент по исследованию закона Паскаля;

4) установить основные области использования давления человеком и животными;

5) провести физические опыты, связанные со свойствами газов;

6) представить проект семиклассникам для достижения цели исследовательской работы;

7) построить диаграммы по результатам экспериментов.

Объектом моего исследования является воздух.

Предмет исследования –давление в газах.

1. ИСТОРИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ В ГАЗАХ

Я теперь знаю, что было бы, если бы атмосфера исчезла. На Земле замерзшие водные пространства. Суша покрыта ледяной коркой. Полная тишина, так как звук в пустоте не распространяется.  Небо черное, поскольку окраска небесного свода зависит от воздуха. Звезды видны не только ночью, но и днем (днем мы их не видим из-за рассеивания частичками воздуха солнечного света). Погибли бы животные и растения.

1.1 СЕКРЕТ МАГДЕБУРГСКИХ ПОЛУШАРИЙ

Я узнал, что первым убедительным опытом, доказывающим большую силу атмосферного давления, был опыт бургомистра города Магдебурга Отто фон Герике. Это опыт с медными полушариями, который он продемонстрировал перед членами Рейхстага 8 мая 1654 года. На просмотр прибыл даже император Фердинанд.

Одно полушарие было снабжено трубкой для откачивания воздуха. Соединив медные полушария, рабочие откачали насосом воздух из получившегося шара. По мере откачивания Герике убедился, что поршень насоса с трудом вытягивался несколькими физически сильными рабочими. И даже 16 ломовых лошадей, впряженных с разных сторон, не смогли разъединить полушария.

Я объясню этот опыт: чем больше выкачивали воздух из полого шара, тем сильнее прижимались полушария атмосферным давлением снаружи, а давление внутри шара уменьшалось. Это давление составляло примерно 7 тысяч килограммов. Я делаю вывод, что воздух представляет собой вещество, которое способно оказывать мощное давление.

Меня заинтересовал точный физический смысл давления в газах.

1.2. ЧТО ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ ДАВЛЕНИЕ В ГАЗАХ

Я выяснил, что, находясь в вечном непрерывном движении, молекулы соударяются, обмениваются энергией, тормозятся и ускоряются. Известно, что атмосфера, в которой мы живём, оказывает на все тела давление, равное примерно 101325 Па. Причину этого давления можно объяснить, зная, что атмосфера состоит из молекул. Конечно, это - удары громадного числа молекул о поверхность тел.

Эти многочисленные удары создают давление, одинаковое со всех сторон. Сила давления перпендикулярна поверхности тел.

Иногда давление немного меняется. Какие изменения в мире молекул вызывают изменение давления?

Я могу провести аналогию: как дождевые капли барабанят по крыше, так бьются о стенки сосуда молекулы газа. Число этих ударов огромно и действие их, сливаясь воедино, и создаёт то давление, которое может двигать поршень двигателя, разорвать снаряд или надуть воздушный шар. Град молекулярных ударов – это атмосферное давление. Оно заставляет прыгать крышку кипящего чайника и выбрасывает пулю из винтовки.

Прежде всего, давление газа пропорционально его плотности. Если масса газа неизменна, то, уменьшая объём, мы увеличиваем его плотность.

Вспомню Закон Паскаля: "жидкости и газы передают оказываемое на них давление без изменения в каждую точку жидкости или газа".

2. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ИЗМЕРЕНИЮ ДАВЛЕНИЯ И ВЕСА ГАЗА

Я считаю, что давление играет большую роль в повседневной жизни, даже, несмотря на то, что иногда мы его не замечаем. Но оно всегда есть. В этих опытах я взвешу углекислый газ, исследую атмосферное давление на разной высоте, проверю закон Паскаля.

2.1. ИЗМЕРЕНИЕ ВЕСА ВОЗДУХА

Я знаю, что мы живём на дне воздушного океана. Над нами – огромная толща воздуха. Воздушную оболочку, окружающую Землю, называют атмосферой (от греч. «атмос» — пар, воздух и «сфера» — шар). Атмосфера, как показали наблюдения за полетом искусственных спутников Земли, простирается на высоту нескольких тысяч километров. А воздух, как он не лёгок, всё же имеет вес.

Я взвесил воздушный шар, наполненный воздухом. В первом случае я пользовался рычажными весами, во втором опыте использовал цифровые весы «Кобра 4».

Результат моего опыта доказал, что даже лёгкие газы имеют вес. Я думаю, что электронные весы более точно взвесили шар с воздухом.

2.2 ИЗМЕРЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ НА РАЗНЫХ ВЫСОТАХ

Я помню, что вследствие действия силы тяжести верхние слои воздуха, подобно воде океана, сжимают нижние слои. Воздушный слой, прилегающий непосредственно к Земле, сжат больше всего и, согласно закону Паскаля, передает производимое на него давление по всем направлениям. Я провёл эксперимент, чтобы проверить, так ли это.

Для того чтобы выявить зависимость атмосферного давления от высоты, я измерял атмосферное давление на различных этажах нашей школы и пятиэтажного дома в нашем селе с помощью датчика погоды «Кобра 4» для измерения атмосферного давления. Датчик делает измерения давления в гектопаскалях. Я выразил его в паскалях и мм ртутного столба.

2.3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЗАКОНА ПАСКАЛЯ

Оборудование:

• Датчик погоды «Кобра 4» для измерения атмосферного давления.
• Пластиковый пакет
• Пластиковый прозрачный поднос
• Гири от 25 до100 грамм

Чтобы заполнить пакет воздухом, я оставил в нём маленькое отверстие. Пакет я надул настолько сильно, чтобы пластиковый поднос, лежащий на нём, не касался датчика.

Датчик давления вмонтирован в датчик погоды. Чтобы проверить зависимость силы давления от сил, действующих на определённый участок, я положил прозрачный поднос на пакет и записал показания датчика давления без гирь, а затем с гирями, постепенно увеличивая нагрузку. Я заметил, что с увеличением массы давление увеличивалось прямо пропорционально. Я изменял положение датчика, результат был таким же. Я надавил на поверхность пакета, при этом заметил увеличение давления, которое зафиксировал прибор.

Поворачивая датчик в разных направлениях и, нажимая на пакет, выяснил, что давление действует с одинаковой величиной на все стороны пакета. Я измерил давление с гирями, постепенно увеличивая нагрузку. И составил график «Зависимость давления газа от нагрузки». Вот результаты моих измерений.

Чтобы определить, как увеличение давления зависит от увеличения веса гирь, я отнимал из давления воздуха с грузом давление без груза. Я увидел, что разница давлений удваивается с удвоением веса груза.

Мои измерения показывают, что давление в газах распространяется во всех направлениях. Так же это справедливо для атмосферного давления. Я подтвердил с помощью эксперимента закон Паскаля.

Почему же изменялось давление газа? Когда я надул пластиковый пакет, в нём стало воздуха больше, чем снаружи, он расширился. Когда я на пакет надавил, воздух внутри сжался, молекулы чаще сталкивались с поверхностью пакета. Давление увеличилось, так как молекулы двигаются во всех направлениях. Таким образом, из эксперимента я сделал вывод, что давление действует во всех направлениях, согласно закону Паскаля.

Также я делаю вывод, что по всему миру на одной высоте давление одинаково. Будь это не так, и давление было бы направлено, например, вниз, то под потолком не было бы давления. В занятиях подводным плаванием давление бы внезапно исчезало, когда человек заплывал под выступ скалы.

2.4 ИЗМЕРЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ В ТЕЧЕНИЕ НЕДЕЛИ

Я знаю, что атмосферное давление меняется ежедневно. На тело человека, поверхность которого при массе в 60 кг и росте 160 см, примерно равна 1,6 м2, действует сила в 160000 Н, обусловленная атмосферным давлением.

Живые организмы выдерживают такие огромные нагрузки благодаря тому, что давление жидкостей, заполняющих сосуды тела, уравновешивает внешнее атмосферное давление.

Я решил выяснить, как меняется атмосферное давление в нашей местности. Для этого я с помощью барометра измерял давление атмосферы в течение недели. Вот какие результаты я получил:

И составил график «Атмосферное давление воздуха в марте в с. Яковлевка».

Я выяснил также, что в метеорологии для определения атмосферного давления ещё используется миллибар. Один миллибар равен 100 Па. Слово «атмосфера» также может являться единицей измерения давления. Она равна среднему давлению атмосферы Земли на уровне моря и составляет чуть более 100 000 Па.

3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА

3.1. ПРИМЕНЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА В ТЕХНИКЕ

Я выяснил, что Паскаль, используя открытый им закон, в ходе проведенных им экспериментов изобрел шприц и усовершенствовал барометр.

Я узнал, что основное свойство жидкостей и газов - передавать давление без изменения по всем направлениям - лежит в основе конструкции пневматических устройств и машин.

Изучение давления помогает учёным понять, как возникает подъёмная сила под крылом самолёта. При падении давления над верхней частью крыла, когда поток воздуха здесь ускоряется, увеличивается подъёмная сила под крылом. Величина подъёмной силы зависит от расположения угла крыла по отношению к горизонту. Если оно расположено под слишком острым углом, то вместо подъёмной силы может возникнуть турбулентность, ведущая к срыву потока и потере скорости. Инженеры-конструкторы используют аэродинамическую трубу для тестирования обтекаемости новых моделей самолётов.

3.2. ЗНАЧЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА ДЛЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ

Я выяснил, что роль атмосферного давления в жизни живых организмов очень велика. Оказывается, многие органы действуют за счёт атмосферного давления.

Я изучил механизм вдоха и выдоха, который основан на существовании атмосферного давления. Легкие расположены в грудной клетке. С увеличением объема грудной клетки давление воздуха в ней уменьшается, и наоборот. Это вызывает увеличение объема легких почти на 1000 мл. При этом давление в них становится меньше атмосферного, и воздух через воздухоносные пути устремляется в легкие. При выдохе объем грудной клетки уменьшается. Это вызывает уменьшение объема легких. Давление воздуха в них становится выше атмосферного, и воздух из лёгких устремляется в окружающую среду.

Я задумался над тем, как я пью. При питье я втягиваю жидкость в себя. Почему же жидкость устремляется в рот? При питье мы расширяем грудную клетку и тем разрежаем воздух во рту; под давлением наружного воздуха жидкость устремляется в то пространство, где давление меньше, и таким образом проникает к нам в рот.

А в суставах есть свои магдебургские полушария.

Мухи и древесные лягушки держатся благодаря крошечным присоскам, в которых создается разрежение, и атмосферное давление удерживает присоски.

Рыбы-прилипалы имеют присасывающую поверхность, состоящую из ряда складок, образующих глубокие «карманы». При попытке человека оторвать присоску от поверхности, к которой она прилипла, глубина карманов увеличивается, давление в них уменьшается и тогда внешнее давление еще сильнее прижимает присоску.

Я узнал, что слон использует атмосферное давление всякий раз, когда хочет пить. Шея у него короткая, и он не может нагнуть голову в воду, а опускает только хобот и втягивает воздух. Под действием атмосферного давления хобот наполняется водой, тогда слон изгибает его и выливает воду в рот.

Плавательный пузырь рыбы легко меняет свой объем. Когда рыба с помощью мышц опускается на большую глубину и давление воды на нее увеличивается, пузырь сжимается, объем тела рыбы уменьшается, она не выталкивается вверх, а плавает в глубине. Таким образом, рыба может в определенных пределах регулировать глубину своего погружения. Киты регулируют глубину своего погружения за счет уменьшения и увеличения объема легких.

3.3. ОПЫТЫ С АТМОСФЕРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ.

Существованием атмосферного давления могут быть объяснены многие явления, с которыми мы встречаемся в повседневной жизни. Особенно меня заинтересовали занимательные опыты. Я провел опыты, которые можно объяснить существованием атмосферного давления.

1.  «Живое» яйцо

Бутылкой с широким горлышком я медленно накрыл сваренное и очищенное яйцо, в которое я вставил и поджёг две тонкие небольшие свечки. Яйцо постепенно втянулось внутрь бутылки.

Я делаю вывод: пламя нагревает воздух в бутылке, и часть его выходит наружу. Когда я бутылкой накрываю яйцо, воздух в ней охлаждается, давление его падает и внешнее атмосферное давление проталкивает яйцо в бутылку.

2. Перевёрнутый стакан

Для эксперимента я взял обыкновенный стакан и наполнил до краёв водой. Накрыл его листком бумаги так, как это показано на рисунке. Плотно прикрыв его рукой, перевернул бумагой вниз. Осторожно убрал руку, держа стакан за дно. Вода не вылилась.

Я делаю вывод-воду удерживает давление воздуха. Давление воздуха распространяется во все стороны одинаково (по закону Паскаля), значит, и вверх тоже. Бумага служит только для того, чтобы поверхность воды оставалась совершенно ровной.

3. Тяжёлая газета

Я положил небольшую линейку на край стола так, чтобы одна её половина свешивалась над полом. Стоит слегка прикоснуться к висящему концу рукой, как она тут же упадёт на пол.

Я закрыл газетой  конец линейки, лежащий на столе. Тщательно разгладил газету таким образом, чтобы она плотно прилегала к столу и нашей линейке, а также аккуратно примял газету по краю линейки. Я ударил по её  выступающему концу - линейка удержалась на месте! Ее удержало давление воздуха на всю поверхность газеты.

4. Сухая монетка

Я положил на плоскую тарелку монету и налил немного воды. Монета очутилась под водой. Едва ли кто-то сообразит, как взять монету голой рукой, не замочив пальцев и не выливая воду из тарелки. А фокус в том, что воду надо отсосать, но не ртом.

Возьму тонкий стакан, нагрею его кипятком и опрокину на тарелку рядом с монетой.

Воздух в стакане начнет остывать, уменьшаться в объёме. Стакан начнет втягивать воду, и вся она соберется под ним. Теперь подожду, пока монета высохнет, и беру ее, не замочив пальцы.

5. Магдебургские полушария.

Проделаю опыт бургомистра города Магдебурга Отто фон Герике с помощью более простых средств. Это опыт со стаканами.

Для опыта мне понадобились два стакана, огарок свечи, немного газетной бумаги, ножницы. Я поставил зажженный огарок свечи в один из стаканов. Вырезал из нескольких слоёв газетной бумаги, положенных один на другой, круг диаметром немного больше, чем внешний край стакана. Затем вырезал середину круга таким образом, чтобы большая часть отверстия стакана осталась открытой. Смочив бумагу водой, я получил эластичную прокладку, которую положил на верхний край первого стакана.

Я поставил на эту прокладку перевёрнутый второй стакан и прижал его к бумаге. Свеча вскоре потухла. Теперь, взявшись рукой за верхний стакан, я поднял его. Нижний стакан как бы прилип к верхнему и поднялся вместе с ним.

Я делаю вывод - огонь нагрел воздух, содержащийся в нижнем стакане, а нагретый воздух расширяется, поэтому часть его вышла из стакана. Когда я медленно приближал к первому стакану второй, часть содержавшегося в нём воздуха также успела нагреться и вышла наружу. Значит, когда оба стакана были плотно придавлены один к другому, в них было меньше воздуха, чем до начала опыта. Свеча потухла, как только был израсходован весь содержащийся в стаканах кислород.

После того как оставшиеся внутри стакана газы остыли, там возникло разреженное пространство, а воздушное давление снаружи осталось неизменным, поэтому оно плотно придавило стаканы один к другому.

6. Странный пакет

В полиэтиленовый пакет наберем воздух и завяжем. Если на него надавить рукой, то он прорвется, и воздух выйдет. Однако заметим: пакет прорывается не обязательно в том месте, где на него давят.

Я делаю вывод: давление, оказываемое на одну часть пакета, распространяется в другие части.

Данные опыты являются доказательствами существования атмосферного давления и закона Паскаля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучив множество статей, я узнал, что впервые опытным путём доказал существование атмосферного давления Отто фон Герике, бургомистр из Германии, и произошло это в 1654 году.

Проведя эксперименты, я углубленно изучил свойства газов, закон Паскаля и выявил \области их применения.

В своей работе я показал, что существованием атмосферного давления могут быть объяснены многие явления, с которыми мы встречаемся в повседневной жизни. Кроме того, именно давление газа лежит в основе конструкции различных пневматических устройств и машин.

Я построил график зависимости давления газа от веса гирь, построил график изменения атмосферного давления в селе Яковлевка в период с 18.03.2016 по 25.03.2016. Также я провёл опыты, подтверждающие существование атмосферного давления.

Я проверил и могу сказать, что воздух имеет вес. Что давление действует во всех направлениях, согласно закону Паскаля.

Я смог доказать, что понимание смысла давления, знание свойств газов, закона Паскаля очень важно в повседневной жизни человека и животных, науке и технике.

Атмосферное давление оказывает большое влияние на всё, что находится на Земле.

Знание закона Паскаля необходимо при погружении на глубину, при тушении пожара, в медицине, например, применение шприцов и других приборов.

Моя гипотеза подтвердилась: давление в газах играет очень важную роль для живых организмов, особенно для людей.

Я добился поставленной цели - доказал, что давление в газах имеет очень важную роль для живых организмов. Также я продемонстрировал свою проектную работу ученикам 7-х классов, чем вызвал у них интерес. 

Можно также сделать полезные выводы для собственного здоровья. Чтобы организм не сильно реагировал на перепады атмосферного давления, нужны тренировка и закаливание организма. Необходимо заниматься спортом, систематически выполнять ту или иную физическую работу. Питание при пониженном атмосферном давлении должно быть высококалорийным, разнообразным и богатым витаминами и минеральными солями. При повышенном давлении рекомендуется больше отдыхать, не торопясь, медленно подниматься на этажи. Особенно это надо учитывать людям, которым иногда приходится работать при повышенном или пониженном атмосферном давлении (водолазы, альпинисты, при работе на скоростных подъемных механизмах), причем эти отклонения от нормы иногда бывают в значительных пределах.

Вот какую, оказывается, важную роль играет в нашей жизни давление!

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. С. В. Громов. Физика. Учебник 7 класс.

2. Я.И Перельман «Занимательная физика» книга 2, ТРИАДА-ЛИТЕРА Москва, 1994 год.

3. ru.wikipedia.org.

4. http://vpl54.narod.ru/FOKUS.html.

5. http://www.lmagic.info.

6. www.issl.dnttm.ru.

7. www.researcher.ru.

8. Ильченко В.Р., Перекрёстки физики, химии и биологии, М., Просвещение.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

«Зависимость давления газа от нагрузки».

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

«Атмосферное давление в марте в с. Яковлевка»