Загальні відомості про атмосферний тиск
ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРОННИХ ВИМІРНИКІВ АТМОСФЕРНОГО ТИСКУ
У НАВЧАЛЬНОМУ ПРОЦЕСІ З ФІЗИКИ
Науковий керівник
доцент
Мірошниченко Ігор Геннадійович
Луцьк 2013
ЗМІСТ
ВСТУП.........................................................................................................................4
РОЗДІЛ І
Загальні відомості про атмосферний тиск…………………………………………7
1.1. Історія відкриття....……………………………………………………………...7
1.2. Поняття про атмосферний тиск……………………………………………….7
1.3. Прилади для вимірювання атмосферного тиску…………………………...10
· Манометр………………………………………………………………………...10
· Барометр…………………………………………………………………………11
РОЗДІЛ ІІ
Шкільні та університетські досліди……………………………………………...16
2.1. Передавання тиску рідиною. Закон Паскаля………………………………...16
2.2. Залежність тиску рідини на дно посудини від висоти стовпа й густини......20
2.3. Незалежність тиску рідини на дно посудини від її форми………………….22
2.4. Залежність тиску рідини на стінки посудини від висоти стовпа рідини…..23
2.5. Напрям і величина тиску всередині рідини………………………………….25
2.6. Сила тиску рідини на дно посудини………………………………………….27
2.7. Закон Архімеда………………………………………………………………...28
2.8. Вивчення умов плавання тіла за допомогою картезіанського водолаза…...29
2.9. Будова й дія металевого манометра…………………………………………..31
РОЗДІЛ ІІІ
Датчики,генератори,мікроконтролери.Особливості,властивості,різновиди та застосування………………………………………………………………………...35
Датчики тиску, складу газу, швидкості потоку й витрати газу…………….35
3.2. Генератор на PIC16F84A і AD9850…………………………………………...37
3.3. Датчики серії MPVZ…………………………………………………………...41
3.4. Мікроконтролер AT90S2313 фірмиAtmel……………………………………42
3.5. Мікроконтролери AT90S2323 і AT90S2343………………………………….43
ВИСНОВКИ………………………………………………………………………..46
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ……………………………………….47
Додаток А…………………………………………………………………………...50
Лістинг нпвчальної комп’ютерної програми……………………………………..50
РЕЗЮМЕ…………………………………………………………………………...69
ВСТУП
Актуальність теми.Фізика – наука експериментальна. Оскільки між фізикою – наукою і фізикою – навчальним предметом існує тісний зв'язок, навчання фізики полягає в послідовному формуванні нових для студентів фізичних понять і теорій на основі не багатьох фундаментальних положень, що опираються на дослід. У ході цього знаходить відображення індуктивний характер встановлення встановлення основних фізичних закономірностей на базі експерименту і дедуктивний характер виведення наслідків із встановлених таким чином закономірностей з використанням доступної для студентів експериментальної бази. Активне використання електронно-обчислювальної техніки та засобів вимірювальної радіо-електронної апаратури створюють умови для розвитку науки, вдосконалення виробничих процесів. Саме вдале поєднання цих засобів слід пов’язувати з сучасним навчальним експериментом, який виступає одночасно методом навчання і джерелом знань.
Метанашого дослiдження пов’язана iз визначенням дидактичних функцій та можливостей використання навчальних генераторів і комп’ютерної техніки при вивченi фізики у середнiй школi та спектру їх застосування у рiзних галузях фізики та техніки.
У зв'язку iз визначеною метою необхiдно було розв'язати ряд задач:
* встановити значення i роль, мiсце електронних вимірників тиску у навчальному процесі з фiзики;
* опрацювати наукову та методичну лiтературу стосовно даного питання, проаналiзувати отриману інформацію;
* ознайомитись з iсторiєю розвитку використання електронних вимірників та їх можливостей при вивченнi шкiльного матерiалу з фiзики;
* розробити та написати комп'ютерну програму для вдосконалення вивчення елементів радіоелектронних пристроїв та приладів;
Методологічна основа дослідженьпов'язана з методикою вивчення шкiльного курсу фiзики. При цьому ми орієнтувалися на основнi принципи психологiї та дидактики, на розробки та роботи спеціалістів з методики викладання фiзики.
Робоча гіпотеза:використання передових технологiй при викладаннi шкiльного курсу фiзики сприяє кращому засвоєнню знань, вихованню в учнiв поваги до працi. Вчитеме цiнувати i берегти шкiльне фiзичне обладнання, а також формуватиме i розвиватиме практичнi вмiння та навички, підвищить якість навчання по фізиці, дасть позитивний виховний ефект.
Об’єктом дослідженнями обрали органiзацiю, змiст i форми навчальної дiяльностi учнiв та сам процес навчання при вивченнi основ фiзики.
Предметом дослідженнями обрали навчальну дiяльнiсть учнiв пiд час вивчення основ фiзики.
Практична значимість. Проведений аналiз використання навчальної комп'ютерної програми при вимірюванні атмосферного тиску в умовах загальноосвітньої школи дає пiдстави для доцiльної органiзацiї занять.
Положення.У зв’язку з визначеною метою необхідно розв’язати ряд задач:
1) опрацювати наукову й методичну літературу стосовно виготовлення навчальної комп’ютерної програми для вивчення сучасних методів вимірювання атмосферного тиску, а також проаналізувати отриману інформацію;
2) ознайомитися з можливостями і місцем використання розглянутих методик у сучасних наукових дослідженнях;
3) з урахуванням психолого-педагогічних вимог написано та виготовлено навчальну програму максимально адаптовану до шкільних умов.
Апробація: експериментальна та конструкторська робота проводилась у фізичних лабораторіях СНУ при вивченні спецкурсів на фізичному факультеті Східноєвропейського національного університету імені Лесі Українки та під час другої педагогічної практики(Володимир-Волинська гімназія,10-А клас).
Практична значимість: виготовлення простої та доступної для відтворення навчальної комп’ютерної програми загальноосвітньої школи.
На захист дипломної роботи виносяться такі основні положення:
• аналіз основних методи вимірювання атмосферного тиску.
• методика використання навчальної комп’ютерної програми.
У вступі сформульовано основні задачі, висвітлено основні переваги використання запропонованої навчальної програми.
У першому розділі розглянуті питання щодо аналізу відомих методів вимірювання атмосферного тиску.
Другий розділ присвячено вивченню різних дослідів, пов’язаних із методикою вимірювання атмосферного тиску.
У третьому розділі звернена увага на електронні вимірники тиску.
У висновках зроблено підсумок проведеної роботи.
РОЗДІЛ І
Загальні відомості про атмосферний тиск
1.1.Історія відкриття
Ще в давнину людина помічала, що повітря чинить тиск на наземні предмети, особливо під час негоди і ураганів. Вона користувалася цим тиском, змушуючи вітер рухати вітрильні судна, обертати крила вітряних млинів. Однак довго не вдавалося довести, що повітря має тиск. Тільки в XVII столітті був поставлений дослід, який довів наявність маси у повітря. Приводом до цього послужила випадкова обставина.
В Італії в 1640 році герцог Тосканський задумав влаштувати фонтан на терасі свого палацу. Воду для цього фонтану повинні були накачувати із сусіднього озера, але вода не йшла вище 32 футів (10,3 м). Герцог звернувся за роз'ясненнями до Галлілея, тоді вже глибокого старця. Великий вчений був збентежений і не відразу не знав як пояснити це явище. І тільки учень Галлілея Торрічеллі після довгих досліджень, довів, що повітря має тиск, і тиск атмосфери врівноважується стовпом води в 32 фути(10,3 м). Він пішов у своїх дослідженнях ще далі і в 1643 році винайшов прилад для вимірювання атмосферного тиску – барометр.
1.2.Поняття про атмосферний тиск
Тиск (р) – фізична величина, що характеризує інтенсивність нормальних (перпендикулярних до поверхні) сил, з якими одне тіло діє на поверхню іншого. Середня величина тиску на будь-яку площину дорівнює відношенню середнього значення сили, що діє перпендикулярно цій площині, до її площі: p = dF/dS (1.1)
Якщо сили розподілені вздовж поверхні рівномірно, то тиск р на будь-яку частину поверхні дорівнює:
p = F/S (1.2)
де F – сума прикладених перпендикулярно до поверхні сил; S – площа цієї частини.
Одиниця вимірювання тиску в системі СІ – паскаль (Па);
1 Па = 1Н · 1м2. Середній атмосферний тиск на рівні моря становить 1,01325 · 105 Па. Вимірюється тиск в міліметрах ртутного стовпчика, міллібарах (1 мб = 0,75 ммрт.Ст.) і в гектопаскалях (1мм = 1 мб).
У цілому атмосферний тиск залежить від висоти, простору й часу. Горизонтальний розподіл атмосферного тиску визначається рухом поверхневих тиском повітря.
Тиск, температура і густина – найважливіші характеристики будь-якого газу, в тому числі і повітря, з якого складається атмосфера.
Будь-який газ, що міститься в посудині, тисне на її стінки. Це відбувається тому, що молекули газу рухаються і створюють тиск – діють з певною силою на стінки посудини. Коли температура підвищується, а об’єм газу не змінюється, швидкість руху молекул збільшується і тиск зростає.
На стіни кімнати, в якій ми знаходимося, теж тисне повітря. Якщо кімната не дуже щільно закрита і повітря надходить через вікна і щілини, тиск всередині і зовні легко вирівнюється. Тому тиск всередині кімнати майже не відрізняється від тиску під відкритим небом. Якщо уявити якийсь об’єм повітря всередині атмосфери, то і його з усіх сторін теж будуть «бомбардувати» молекули газів, що знаходяться поза цим об’ємом. Виходить, що в будь-якій точці атмосфери або на земній поверхні є певна величина атмосферного тиску, що дорівнює вазі розміщеного вище стовпа повітря.
Атмосферний тиск виражають у грамах на см2 або в кілограмах на м2. На рівні моря тиск повітря становить близько 1 кг 33 г на 1 см2. Уявіть, що Ви засмагаєте на морському березі, лежачи на піску. Якщо площа вашого тіла приблизно дорівнює 1 м2, то повітря тисне на вас з силою близько 10 тонн! Але людина, як і будь-який інший організм, не відчуває цього, оскільки атмосферний тиск врівноважується внутрішнім.
З висотою тиск зменшується. Наприклад, на висоті 5 км він майже в 2 рази нижчий, ніж на рівні моря, а на рівні 10 км – майже в 4 рази.
Максимальний атмосферний тиск 815,85 ммрт.Ст. (1087 мб) зареєстровано взимку в Туруханську (Росія). Мінімальний – 641,3 ммрт.Ст. (854 мб) – в урагані «Ненсі” над Тихим океаном. З підніманням вгору тиск знижується: на висоті 5 км він менший вже в 2 рази, на висоті 15 км – в 8 разів, на 20 км – у 18 разів. У нижньому шарі тропосфери до висоти 1 км він знижується на 1 ммрт. Ст. на кожні 10 м, або на 1 мб (гп) на кожні 8 м. Чим вище, тим тиск знижується повільніше. Зміна тиску пояснюється переміщенням повітря. Він підвищується там, де повітря нагромаджується і знижується там, звідки повітря рухається. Головна причина переміщення повітря – його нагрівання і охолодження від підстилаючої поверхні. Нагріваючись від поверхні, повітря розширяється і спрямовується вгору. Досягнувши висоти, на якій його щільність стає більшою від щільності навколишнього повітря, воно розтікається в різні боки. Тому тиск на теплу поверхню знижується, але одночасно він збільшується на сусідні ділянки, хоча температура там не змінювалася. Над холодною поверхнею повітря охолоджується, ущільнюється, притискаючись до поверхні. Зверху його щільність зменшується, і сюди приходить повітря збоку. Кількість його над холодною поверхнею збільшується, тиск на неї зростає. Одночасно там, звідки повітря надійшло, тиск зменшується без зміни температури. Нагрівання і охолодження повітря від поверхні супроводжується його перерозподілом і зміною тиску.
У екваторіальних широтах тиск завжди знижений. Це пояснюється тим, що нагріваючись від поверхні, повітря підіймається і відходить у бік тропічних широт, створюючи там підвищений тиск. Над холодною поверхнею в Арктиці і Антарктиді тиск також підвищений. Його створює повітря, що приходить з помірних широт на місце ущільненого холодного повітря. Відтік повітря в полярні широти – причина зниження тиску в помірних широтах. В результаті формуються пояси зниженого (екваторіальний і помірні) і підвищеного тиску (тропічні і полярні). У залежності від сезону вони дещо зміщуються в бік півкулі, де в той час літо.
Полярні області високого тиску взимку розширюються, а влітку звужуються, але існують впродовж року.Пояси зниженого тиску цілий рік зберігаються поблизу екватора і в помірних широтах Південної півкулі.
У помірних широтах Північної півкулі взимку тиск над материками сильно підвищується і пояс низького тиску «розривається». Він зберігається тільки над океанами у вигляді замкнутих областей зниженого тиску – Ісландського і Алеутського мінімумів. Над материками, навпаки, утворюються зимові максимуми: Азіатський(Сибірський) і Північноамериканський (Канадський). Влітку в помірних широтах Північної півкулі пояс зниженого тиску відновлюється. Величезна область зниженого тиску з центром в тропічних широтах формується над Азією – Азіатський мінімум. У тропічних широтах материки завжди нагріваються дещо сильніше, ніж над океанами, і тиск над ними нижчий. Тому над океанами існують субтропічні максимуми: Північно-Атлантичний(Азорський),Північно-Тихоокеанській,Південно-Атлантичний, Південно-Тихоокеанській і Індійський.
2.1.Прилади для вимірювання атмосферного тиску
· Манометр
Манометри – прилад для вимірювання тиску рідини, газу або пари. Вони застосовуються у всіх випадках, коли необхідно знати, контролювати і регулювати тиск. Найчастіше манометри використовують в теплоенергетиці, на хімічних, нафтохімічних підприємствах, підприємствах харчової галузі.
Найпоширеніші манометри – механічні, в яких чутливим елементом, що сприймає тиск, служить трубка Бурдона, поршень, мембрана або інше тіло.
Принцип дії класичного манометра заснований на зрівноважуванні вимірюваного тиску силою пружної деформації трубчастої пружини або більш чутливої мембрани, один кінець якої запаяний в утримувач, а інший через тягу пов’язаний з трібко-секторним механізмом, що перетворює лінійне переміщення пружного чутливого елемента в круговий рух індикуючої стрілки.
Обираючи манометр, потрібно знати: межі вимірювання, діаметр корпусу, точності приладу. Також важливі розташування і різьблення штуцера. Ці дані однакові для усіх приладів, як вітчизняних, так і європейських.
Основою вимірювальної системи манометра є чутливий елемент, котрий виконує функцію первинного перетворювача тиску. Залежно від принципу дії і конструкції чутливого елемента розрізняють манометри рідинні, поршневі і деформаційні. Останнім часом знаходять застосування прилади, дія яких базується на вимірюванні змін фізичних властивостей різних речовин під дією тиску.
У більшості випадків первинні перетворювачі тиску мають неелектричний вихідний сигнал у вигляді сили або переміщення і об'єднані в один блок з вимірювальним приладом. Якщо результати вимірювань необхідно передавати на відстань, то застосовують проміжне перетворення цього неелектричного сигналу в уніфікований електричний або пневматичний. При цьому первинний і проміжний перетворювачі об'єднують в один вимірювальний перетворювач.
За призначенням манометри бувають:
- для вимірювання абсолютного тиску, відлік якого ведеться від нуля (абсолютного вакууму);
- для вимірювання надлишкового тиску, тобто різниці між абсолютним і атмосферним тиском, коли абсолютний тиск більший від атмосферного (від 0,06 до 1000 Мпа) – манометри;
- для вимірювання різниці двох тисків, що відмінні від атмосферного – мають назву дифманометри;
- для вимірювання тиску розріджених газів (тиску нижче атмосферного, до мінус 100 кПа), а також надлишкового тиску (від 60 до 240000 кПа) – мановакуумметри;
- манометри малих надлишкових тисків до 40 КПа – напороміри;
- тягоміри - прилад для вимірювання малих величин вакуумметричного або надлишкового тиску природного газу та інших різних газів, які є неагресивними по відношенню до матеріалів приладу, які контактують з вимірюваним середовищем (сталі, кольорових металах і їх сплавів);
- мановакуумметри з крайніми межами, не перевищують ± 20 кПа – тягонапороміри.
· Барометр
Барометр був винайдений учнями Галілео Галлілея, італійцями Еванджеліста Торрічеллі та Вінченцо Вівіані у 1643 році. Виходячи з уявлення, що ми живемо на дні повітряного океану, що тисне на нас. Торрічеллі запропонував Вівіані зміряти цей тиск за допомогою запаяної з одного кінця трубки («трубка Торрічеллі»), заповненою ртуттю. При перекиданні трубки у посудину з ртуттю, ртуть з трубки виливалась не повністю, а зупинялася на деякій висоті, так, що в трубці над ртуттю утворювався порожній простір. За допомогою «трубки Торрічеллі» в 1664 році французький фізик і математик Блез Паскаль довів існування тиску атмосфери. Декарт відразу ж запропонував ідею вимірювання атмосферного тиску на різних висотах, яка також була реалізована Паскалем в 1648 році. У 1665 році англійський фізик і хімік Роберт Бойль назвав новий прилад барометром. У 1670 році англійський вчений Роберт Гук розробив шкалу барометра, де низький тиск відповідав дощу і шторму, а високий — гарній і сухій погоді. Такі позначення ми можемо бачити і на сучасних побутових барометрах, хоча такої простої залежності між тиском і погодою не існує, бо зв'язок цей набагато складніше.
Барометр (від грец. Βάρος — вага, тиск та грец. Μετρέω — виміряти) – прилад для вимірювання тиску атмосферного повітря. Тиск є сила, що діє на одиницю площі поверхні. Земна атмосфера, що протягується на сотні кілометрів нагору, натискає на поверхню Землі— барометр і служить для виміру цього тиску. Зміни атмосферного тиску, як правило, бувають зв'язані зі змінами погодних умов. Тиск звичайно падає перед негодою, а його підвищення передвіщає гарну погоду. Барометри були пристосовані для виміру висоти, тому що тиск атмосферного повітря зменшується зі збільшенням висоти над рівнем моря. Такими приладами (альтиметрами) обладнаються літаки, їх беруть із собою альпіністи.
Існують два основних види барометрів: ртутний і анероїд.
Ртутний барометр показує атмосферний тиск як висоту ртутного стовпа, яку можна виміряти по прикріпленій поруч шкалі. Являє собою скляну трубку довжиною біля 90 см, заповнену ртуттю, запаяну з одного кінця і перекинуту в чашку з ртуттю. Трубка встановлюється вертикально, відкритим кінцем униз, у посудину з рідиною. Під дією сили ваги частина ртуті виливається з трубки в чашку, а через тиск повітря на поверхню чашки ртуть піднімається по трубці. Коли між цими двома протидіючими силами встановлюється рівновага, висота ртуті в трубці над поверхнею рідини в резервуарі відповідає атмосферному тискові. Якщо тиск повітря зростає, рівень ртуті в трубці піднімається. Середня висота ртутного стовпа в барометрі на рівні моря складає біля 760 мм.
Барометр з рідиною
Поява першого барометра без ртуті пов'язане з ім'ям французького юриста Люсьена Віді, що став інженером-теплотехніком. Вивчення манометрів пробудило його інтерес до барометрів. У 1844 році, він побудував і запатентував барометр-анероїд. Проте інструмент, не отримав успіху у Франції і Віді звернувся до ринку Великої Британії, де йому пощастило більше. Але його патент скоро став центром тривалої судової тяжби між Віді й іншими винахідниками подібних інструментів.
Барометр-анероїд складається з запаяної коробки, з якої частково відкачано повітря. Одна її поверхня являє собою еластичну мембрану. Якщо атмосферний тиск збільшується, мембрана прогинається усередину, якщо зменшується – вигинається назовні. Прикріплений до неї покажчик фіксує ці зміни.
Барометри-анероїди компактні і порівняно недорогі і використовуються як у приміщенні, так і на стандартних метеорологічних радіозондах. В анероїді рідини немає (грец. «анероїд» – «безводний»). Він показує атмосферний тиск, що діє на гофровану тонкостінну металеву коробку, у якій створене розрідження. При зниженні атмосферного тиску коробки злегка розширюється, а при підвищенні – стискується і впливає на прикріплену до неї пружину.
Показники анероїда з часом змінюються, внаслідок зміни пружності стінок коробки, тому його необхідно час від часу звіряти з ртутним барометром. Завдяки своїй портативності, широко застосовується в експедиціях, а також як висотоміри (тоді шкалу анероїда градуюють у метрах).
До шкали анероїда часто прикріплений дугоподібний термометр, який служить для внесення поправки на температуру. Похибка вимірювань анероїд становить 1-2 мбар. Для отримання істинного значення тиску анероїд потребує три поправки:
на шкалу — зумовлена тим, що анероїд неоднаково реагує на зміну тиску в різних ділянках шкали;
на температуру — зумовлена залежністю пружних властивостей коробки і пружини від температури;
додаткова — обумовлена зміною пружних властивостей коробки і пружини з часом.
Побутовий барометр-анероїд
На практиці часто використовується кілька (до десяти) анероїдних коробок, з'єднаних послідовно, і встановлюється підоймова передатна система, що повертає стрілку, яка рухається по круговій шкалі, проградуйованій по ртутному барометру. Анероїд менше ртутного барометра, і його показання легко знімати. Їм можна користуватися в експедиційних умовах, на морських суднах, літаках. Якщо до його стрілки прикріпити перо, то він буде записувати показання. Такі барографи, тобто анероїди, що реєструють барометричний тиск є на всіх метеостанціях.
Схематичне зображення анероїду Конструкція анероїду
РОЗДІЛ ІІ