kluczowe pojęcia
Fizyka
pogoda
powietrze
ciśnienie atmosferyczne

wprowadzenie
Czy oglądałeś kiedyś prognozę pogody w telewizji? Jeśli tak, być może zauważyłeś, że litery „H” I „L” poruszają się po mapie pogody. Są one często określane jako strefy „wysokiego ciśnienia” (H) i „niskiego ciśnienia” (L). Ciśnienie, o którym mówią, to ciśnienie atmosferyczne. Zmiany ciśnienia powietrza mogą przewidywać krótkoterminowe zmiany pogody. Ale skąd wiesz, czy ciśnienie powietrza zmienia się-lub czy jest wysokie lub niskie? Naukowcy opracowali instrument zwany barometrem, który może mierzyć ciśnienie atmosferyczne. W tym ćwiczeniu dowiesz się, jak działa barometr, budując go samodzielnie!

Tło
ziemia otoczona jest warstwą powietrza zwaną atmosferą. Atmosfera ma grubość około 300 mil, a większość z nich znajduje się w odległości 10 mil od powierzchni Ziemi. Powietrze składa się z cząsteczek gazu, takich jak azot, tlen i dwutlenek węgla. Wszystkie te cząsteczki naciskają na ziemię, a to ciśnienie nazywa się ciśnieniem powietrza lub ciśnieniem atmosferycznym.

możesz być zaskoczony, gdy dowiesz się, że powietrze ma ciężar, chociaż go nie czujesz. Ewoluowaliśmy tak, że ciśnienie wewnątrz naszego ciała odpowiada zewnętrznemu ciśnieniu atmosferycznemu. Jesteś jednak w stanie odczuwać zmiany ciśnienia atmosferycznego. Na przykład, jeśli lecisz samolotem, twoje uszy mogą zacząć boleć. Dzieje się tak dlatego, że na dużej wysokości ciśnienie wewnętrzne jest większe niż ciśnienie zewnętrzne. Tylko wtedy, gdy zrównoważysz obie presje, sprawiając, że uszy „pop” przestaną boleć.

ciśnienie atmosferyczne jest najwyższe na poziomie morza i zmniejsza się, gdy poruszasz się w powietrzu. Na poziomie morza normalne ciśnienie powietrza waha się od 800 do 1050 milibarów. Na szczycie Mount Everestu ciśnienie powietrza jest o około 30 procent niższe! Ciśnienie powietrza zmienia się wraz z wysokością i temperaturą. Ciepłe powietrze, które jest mniej gęste, unosi się i powoduje niższe ciśnienie powietrza. Kiedy się podnosi, ochładza się i zamienia w parę wodną, która następnie skrapla się w ciecz. Prowadzi to do powstawania chmur i deszczu. Niskie ciśnienie jest zatem zwykle związane z pochmurną i deszczową pogodą. Z drugiej strony, wysoka gęstość zimnego powietrza powoduje wzrost ciśnienia powietrza. Gdy zimne powietrze tonie, wysycha, powodując ciepłe i suche warunki pogodowe w strefach wysokiego ciśnienia.

teraz, gdy wiemy, jak ciśnienie powietrza może pomóc przewidzieć pogodę, nadal musimy dowiedzieć się, jak zmierzyć ciśnienie powietrza. Aby to zrobić, naukowcy opracowali barometr. Istnieje wiele różnych typów barometrów. Jednym z nich jest barometr na bazie wody: woda jest zamykana w szklanym pojemniku z wąską wylewką łączącą zewnątrz z wnętrzem. Gdy ciśnienie powietrza zewnętrznego wzrasta, wpycha się na wodę w wylewce, powodując spadek poziomu wody. Gdy mniej powietrza (niższe ciśnienie powietrza) wpycha się na wodę wewnątrz wylewki, poziom wody wzrasta. W tym ćwiczeniu zbudujesz odmianę tego barometru. Myślisz, że może przewidzieć jutrzejszą pogodę?

Materials

• Heat-resistant glass jar
• Rubber band that fits around the mouth of the glass jar
• Balloon
• Wooden skewer
• Scissors
• Tape
• Paper
• Pen
• Three bowls
• Tap water (hot and cold)
• Ice cubes
• Paper ręczniki

przygotowanie

• odciąć i wyrzucić otwór balonu, a następnie rozciągnąć pozostały kawałek balonu wokół otworu szklanego słoika, owijając go szczelnie.
• przymocuj balon do słoika gumką.
• przyklej koniec drewnianego szpikulca płasko na wierzch balonu ze spiczastą końcówką skierowaną od słoika.
• napełnij pierwszą miskę wodą o temperaturze pokojowej, drugą miskę gorącą wodą z kranu (uważaj na gorącą wodę i w razie potrzeby poproś osobę dorosłą o pomoc), a trzecią miskę wodą z lodem.
• umieść barometr blisko ściany, szpikulcem równolegle do ściany.
• przykleić kawałek papieru za barometrem na ścianie.
• narysuj linię na papierze, która wyrównuje się z końcówką szpikulca.
• zaznacz pozycję, w której znajduje się barometr. Będziesz musiał umieścić go w tym samym miejscu później podczas aktywności.

procedura

• weź barometr i umieść szklany słoik w misce z gorącą wodą. Woda nie powinna sięgać poza gumkę. Co obserwujesz w barometrze? Czy zauważyłeś jakieś zmiany? Jeśli tak, to jakie zmiany?
• po jednej minucie wyjąć barometr z wody, szybko wysuszyć i umieścić w tym samym miejscu, blisko ściany, w której przymocowano papier. Zrób kolejną linię na papierze, aby wyrównała się ze spiczastą końcówką szpikulca. Gdzie teraz jest wskazówka? Jak zmienił się barometr?
• umieścić barometr w misce z wodą o temperaturze pokojowej. Ponownie obserwować, co się dzieje. Przechowywać w misce przez około 10 minut. Jak po 10 minutach barometr wygląda inaczej niż wcześniej?
• po 10 minutach umieść barometr z powrotem w miejscu przy ścianie i zrób kolejną linię na papierze, w którym szpikulec jest skierowany. Co tym razem zauważyłeś?
• następnie umieść barometr w misce z lodowatą wodą na około minutę. Co się dzieje z barometrem w lodowatej wodzie? Jakie różnice zauważasz?
• ponownie umieść barometr przed wykresem papierowym i utwórz kolejną linię, w którą wskazuje końcówka szpikulca. Może pan wyjaśnić swoje spostrzeżenia?
• umieścić barometr w misce z wodą o temperaturze pokojowej i powtórzyć czynności jeszcze raz. Gdzie tym razem wskazuje końcówka szpikulca? Dlaczego?
• Extra: Powtórz testy przy różnych temperaturach wody. Jak zmieniają się Twoje wyniki przy innych temperaturach wody?
• dodatkowe: wyjmij barometr na zewnątrz, aby zmierzyć ciśnienie atmosferyczne. Narysuj skalę, która wygląda jak linijka na innej kartce papieru. Następnie umieść Wykres obok barometru, tak aby środkowa linia ustawiła się w kolejce z końcówką szpikulca. Pozostaw barometr na zewnątrz przez kilka dni i każdego dnia zaznacz miejsce, w które wskazuje szpikulec. Co to znaczy, gdy końcówka porusza się w górę lub w dół na skali?

obserwacje i wyniki
Czy byłeś w stanie zmierzyć zmianę ciśnienia powietrza za pomocą barometru? W tym ćwiczeniu zmierzyłeś zmiany ciśnienia powietrza wewnątrz szklanego słoika—a nie zmiany zewnętrznego ciśnienia atmosferycznego. Ponieważ nie możemy sami zmienić zewnętrznego ciśnienia atmosferycznego, zmieniliśmy ciśnienie powietrza wewnątrz szklanego słoika, aby zademonstrować, jak działa barometr balonowy.

Kiedy uszczelniasz szklany słoik balonem, w szklanym słoiku występuje pewne ciśnienie powietrza. Czubek drewnianego szpikulca powinien być dość wyrównany z górną częścią szklanego słoika, ponieważ powierzchnia balonu jest bardzo płaska. Po umieszczeniu szklanego słoika w gorącej wodzie powietrze wewnątrz słoika nagrzewa się i rozszerza. Ponieważ słoik jest zapieczętowany balonem, nie ma dokąd uciec—i balon zaczyna się wybrzuszać. Dzieje się tak dlatego, że ciśnienie powietrza wewnątrz szyby wzrasta i naciska na balon. W rezultacie drewniany szpikulec skierowany jest w dół. Linia, którą stworzyłeś, powinna znajdować się poniżej oryginalnej linii.

kiedy wkładasz balon do wody o temperaturze pokojowej, powietrze ochładza się z powrotem do temperatury pokojowej, gdzie było wcześniej, więc balon powinien ponownie stać się płaski. Jednocześnie drewniany szpikulec powinien wyrównać się z Twoją oryginalną linią. Odwrotnie dzieje się, gdy włożysz szklany słoik do lodowatej wody. Gdy powietrze wewnątrz słoika ochładza się jeszcze bardziej, kurczy się i wciąga balon do słoika. Dzięki temu drewniany szpikulec jest skierowany ku górze. Linia, którą stworzyłeś dla wody lodowej, powinna znajdować się powyżej oryginalnej linii. Z powrotem w temperaturze pokojowej balon i drewniany szpikulec powinny wrócić do swoich pierwotnych pozycji.

jeśli mierzysz ciśnienie powietrza zewnętrznego za pomocą barometru, nastąpi odwrotność: szpikulec będzie wskazywał w górę wraz ze wzrostem ciśnienia atmosferycznego, gdy powietrze Na Zewnątrz słoika wpycha się na balon. Przy spadającym ciśnieniu atmosferycznym drewniany szpikulec będzie skierowany w dół. Oznaczanie położenia drewnianego szpikulca każdego dnia może powiedzieć, jakiej pogody można się spodziewać!

Więcej do zbadania
Co To jest ciśnienie atmosferyczne?, z NASA
zmiana wielkości Nauki: How Gases Contract and Expand, from Scientific American
Suck it Up-with Cooling Air!, z Scientific American
zajęcia naukowe dla wszystkich grup wiekowych!, od kumpli z nauki

ta działalność została stworzona we współpracy z kolegami z nauki