Pressure. Hydrosta c pressure and atmospheric pressure

Pressure. Hydrosta�c pressure and atmosphericpressure

Pressure. Hydrosta�c pressure and atmospheric pressureScenariuszLesson plan

Ciśnienie. Ciśnienie hydrostatyczne i atmosferyczne

You will learn

the concept of pressure,to use the concept of pressure in various aspects using English vocabulary.

Exercise 1

Nagranie dostępne na portalu epodreczniki.pl

Source: GroMar, licencja: CC BY 3.0.

nagranie abstraktu

Answer the ques�ons.

a) What is the measure of all interac�ons?b) What are the characteris�cs of a vector quan�ty?c) What are the characteris�cs of a scalar quan�ty?d) What are the examples of vector quan��es and scalar quan��es?e) What is the density?f) What determines the density of the body?g) What do the prefixes kilo-, hekto-, mega- mean?

Source: licencja: CC 0.

Pressure. Hydrosta�c pressure and atmosphericpressure

http://www.epodreczniki.pl/reader/c/130575/v/latest/t/student-canon/m/itTqNx38cn#itTqNx38cn_d5e187

https://epodreczniki.pl/a/Dwb9wDVYb

javascript:void(0);

Exercise 2



nagranie abstraktu

Look at the pictures and answer the ques�on.

ShoesSource: GroMar, licencja: CC BY 3.0.

In which shoes would you go:

a) to the cinema,b) to the mountains,c) to the ball?

Provide the explana�on for you choice.


Experiment 1

Research problem



nagranie abstraktu

What determines the effects of the constant force with direc�on perpendicular to the surface.

Hypothesis



nagranie abstraktu

The effects of this force depend on the surface area on which this force operates and its value.

You will need



nagranie abstraktu

1. a box filled with, for example, flour (or wet sand),2. a heavy cuboid with different side walls.




Instruc�on



nagranie abstraktu

1. Smooth the surface of the flour in the box.2. Place a cuboid with the side of medium area on the flour.3. Li� it so that the imprint remains on the surface of the flour.4. Repeat the same for the other sides of cuboid.

Summary



nagranie abstraktu

In each of the three examined cases, the force (cuboid weight) and its direc�on (ver�callydown) were the same. Only the area of the surface on which this force acted was changed. Thelarger the area, the smaller the hollow in the flour.

The effect of the contact interac�on of the force distributed over the surface depends on thecontact surface area of the interac�ng bodies.

The smaller the area of the interac�on, the greater the effect of the interac�on.



Task 1



nagranie abstraktu

View the GeoGebra applet „Effect of varying force on the same surface area” depic�nga cylinder placed on the sand. Different forces F from 0 N to 10 N act on the cylinder. Withincreasing force, the cylinder is ge�ng deeper into the sand.

Zasób interaktywny dostępny pod adresem h�ps://epodreczniki.pl/a/Dwb9wDVYb

Effect of varying force on the same surface areaSource: GroMar, licencja: CC BY 3.0.

Effect of varying force on the same surface area - 1



Nagranie dostępne na portalu epodreczniki.plSource: GroMar, licencja: CC BY 3.0.

nagranie abstraktu

Provide a general conclusion resulting from the experiment and the viewed applet.

Conclusion


nagranie abstraktu

The effects of the force depend on its magnitude and the area of the surface on which thisforce acts.

A force that is not applied at a point but acts perpendicular to the surface that an objectcontacts, is called the normal force.

The physical quantity, which is the force applied perpendicular to the surface of the objectper unit of surface on which this force operates, is called pressure.

The pressure is indicated by a lowercase letter p. In order to calculate the pressure, thenormal force F should be divided by the surface area S, over which this force is distributed.

The formula for pressure

then:

The unit of pressure in the SI system is pascal (Pa).

Hint


nagranie abstraktu

pressure = magnitude of force

surface area

p = FS

[p] =[F ]

[S] = 1 N1 m2 = 1 Pa



javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);


The pressure is a scalar quantity. You cannot determine the direction of the pressure.

Exercise 3



nagranie abstraktu

Explain what it means that the pressure is 20 Pa (twenty pascals).


Experiment 2

Research problem



nagranie abstraktu

Is there a rela�onship between the hydrosta�c pressure exerted by the liquid and the height ofthe liquid column?

Hypothesis



nagranie abstraktu

The hydrosta�c pressure increases with the increase of the height of the liquid column.

You will need



nagranie abstraktu


javascript:void(0);

javascript:void(0);


javascript:void(0);


a) a 1,5 l plas�c beverage bo�le,b) bowl with a flat surfacec) needle,d) water,e) a bo�le support.

Instruc�on



nagranie abstraktu

a) Make a few holes (four or five) in the bo�le one above the other. Keep even gaps betweenthem.b) Put the bo�le in a bowl on the support.c) Fill the bo�le with water.

Summary



javascript:void(0);




nagranie abstraktu

The range of the water jet flowing out through the hole closest to the bo�om of the bo�le isthe largest, and the range of the jet flowing out through the highest hole - the smallest.

The hydrosta�c pressure depends on the height of the liquid column. The higher it is, the largerthe pressure exerted by the liquid.

javascript:void(0);

Experiment 3

Research problem



nagranie abstraktu

Does the hydrosta�c pressure depend on the density of the liquid?

Hypothesis



nagranie abstraktu

The increase in the density of the liquid increases the hydrosta�c pressure.

You will need



nagranie abstraktu

a) three iden�cal, small plas�c drinks bo�les,b) three balloons,


javascript:void(0);


javascript:void(0);


c) three rubber bands,d) scissors,e) three laboratory retort stands,f) water,g) denatured alcohol,h) oil.

Instruc�on



nagranie abstraktu

a) Cut the bo�oms of the bo�les with scissors.b) Cut out three membranes from the balloons.c) Put a membrane on each bo�le (instead of the cap).d) Seal each membrane on the edge of the bo�le with a rubber band.e) A�ach the bo�les to retort stands.f) Put the same volume of different liquids into each of them: the first one - water, the second -denatured alcohol, and the third - oil.

Summary





nagranie abstraktu

A�er deforma�on of the membranes, it can be assumed that the highest pressure is exerted bythe liquid with the largest density (in our experiment it is water), and the smallest - by the liquidwith the lowest density (i.e. denatured alcohol).

All membranes had the same surface area. So if we use the defini�on of pressure, we come tothe conclusion that the highest pressure was exerted by the liquid with the largest density -water, the medium pressure exerted oil, and the lowest pressure – denatured alcohol, becauseits density is the smallest. Experiment showed that the pressure of the liquid depends not onlyon the height of the column, but also on the type of liquid, and more specifically on its density.

The hydrosta�c pressure depends on the height of the liquid column and the density of theliquid.

Conclusion


nagranie abstraktu

As you remember from the beginning of the lesson:

i.e.

The force is equal to the weight of the liquid above the surface S. The formula for weight(not only liquids) is:

pressure = magnitude of force

surface area

p = FS


javascript:void(0);


and for density:

After transformation:

It follows that:

And since the volume is equal to the product of the base surface area and the height:

hence, after substituting the above expression to the formula for weight, we get:

And then, we substitute the expression for the weight to the formula for the pressure andwe get:

after simplification, we got the formula for hydrostatic pressure:

where:p [ ] - pressure exerted by the liquid, d [ ] - density of the liquid, g [ ] - standard gravity, h [ ] - the height of the liquid column.

Q = m ⋅ g

d = mV

m = d ⋅ V

Q = V ⋅ d ⋅ g

V = S ⋅ h

Q = S ⋅ h ⋅ g ⋅ d

p = S ⋅ h ⋅ d ⋅ gS

p = h ⋅ d ⋅ g

Pakg

m3

ms2

m

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

Exercise 4



nagranie abstraktu

View photos 1,2,3,4 showing different barometers and answer the ques�ons.

BarometersSource: GroMar, licencja: CC BY 3.0.



nagranie abstraktu

a) What physical quan�ty can be measured using the instruments in pictures 1-4?b) What determines the atmospheric pressure?c) Is the atmospheric pressure on the Earth the same everywhere?d) Where is the higher atmospheric pressure in the mountains or by the sea?

Summary




javascript:void(0);



nagranie abstraktu

The pressure is the physical quantity that informs us how large is the force exerted ona surface area unit.The pressure is indicated by a lowercase letter p.To calculate the pressure, the normal force F acting perpendicular to the surface shouldbe divided by the surface area S, on which this force acts.The basic pressure unit in the SI system is pascal (1 Pa).1 pascal is the pressure exerted by a force of 1 newton acting on a surface of 1 m .Practically often used pressure units are also hektopascal (1 hPa = 100 Pa), kilopascal (1kPa = 1000 Pa) and megapascal (1 MPa = 1000000 Pa).The pressure due to the weight of the liquid at rest is called hydrostatic pressure. Thehydrostatic pressure depends both on the height of the liquid column and its density.Atmospheric pressure is the pressure exerted by the atmosphere on the bodies in itsarea or on the surface of the Earth. Atmospheric pressure - like hydrostatic pressure -is related to the weight of the air above the level at which we measure the pressure. Thecloser to the Earth's surface, the higher the atmospheric pressure, and conversely - it islower on mountain peaks than in the valleys. With the height increase by one meter,counting from the sea level, the atmospheric pressure decreases by approximately 11,3Pa. Atmospheric pressure is changing. Its value at sea level is approximately 1013,25 hPa.We name it normal pressure.

Exercises

Exercise 5

2

Choose the correct sentence.

Our weight does not affect the depth at which we fall in the snow.

The surface area of the snow on which our weight acts doesn’t ma�er whether ornot we fall into it.

The smaller the surface area of the snow on which our snow loads, the deeper we fallinto it.

The smaller the surface area of the snow on which our weight loads, the deeper wefall into it.

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

Exercise 6

Calculate the pressure that petrol exerts on the bo�om of a canister with a height of 50 cm, ifthe canister is filled up to of the height. What would be the pressure if the same canister wasfilled with water?Density of petrol d = 700 , density of water d = 1000 .

Exercise 7

Write in English why you can drink through a straw?

Exercise 8

zadanieSource: GroMar, licencja: CC BY 3.0.

Match Polish terms with their English equivalents. ciśnienie hydrostatyczne atmospheric pressure normal force ciśnienie pressure parcie surface ciśnienie atmosferyczne

24

kg

m3kg

m3

Indicate which pairs of expressions or words are translated correctly.

ciśnienie atmosferyczne - atmospheric pressure

ciśnienie - pressure

powierzchnia - density

gęstość - surface

ciśnienie hydrostatyczne - hydrosta�c pressure

parcie - normal force

powierzchnia hydrostatic pressure

Source: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.

Glossary

atmospheric pressure

ciśnienie atmosferyczne


wymowa w języku angielskim: atmospheric pressure

barometer

barometr


wymowa w języku angielskim: barometer

density

gęstość


wymowa w języku angielskim: density

height of the liquid column

wysokość słupa cieczy


wymowa w języku angielskim: height of the liquid column





hydrosta�c pressure

ciśnienie hydrostatyczne


wymowa w języku angielskim: hydrostatic pressure

normal force

parcie


wymowa w języku angielskim: normal force

pascal

paskal


wymowa w języku angielskim: pascal

pressure

ciśnienie


wymowa w języku angielskim: pressure

surface

powierzchnia







wymowa w języku angielskim: surface

Keywords


hydrostatic pressure

normal force

pressure

surface

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

Scenariusz

Temat

Ciśnienie. Ciśnienie hydrostatyczne i atmosferyczne

Etap edukacyjny

Drugi

Podstawa programowa

I. Wykorzystanie pojęć i wielkości fizycznych do opisu zjawisk oraz wskazywanie ichprzykładów w otaczającej rzeczywistości. Uczeń:

V. 3) posługuje się pojęciem parcia (nacisku) oraz pojęciem ciśnienia w cieczach i gazachwraz z jego jednostką; stosuje do obliczeń związek między parciem a ciśnieniem;

4) posługuje się pojęciem ciśnienia atmosferycznego.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Posługiwanie się wielkościami fizycznymi do opisu ciśnienia.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Rozpoznawanie ciśnienia jako wielkości fizycznej i jej jednostki.

2. Określanie rodzajów ciśnień.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- rozpoznaje pojęcie takie jak: parcie, ciśnienie, paskal,

- określa od czego zależy różny rodzaj ciśnienia, zna jednostkę ciśnienia.

Metody kształcenia

1. Uczenie się przez obserwację.

2. Uczenie przez badanie problemów doświadczalnych.

Formy pracy

1. Praca indywidualna lub grupowa podczas rozwiązywania zadań problemowych.

2. Praca z całą klasą.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Odpowiedz na pytania:

a) Co jest miarą wszystkich oddziaływań?b) Jakimi cechami charakteryzuje się wielkość wektorowa?c) Jakimi cechami charakteryzuje się wielkość skalarna?d) Jakie znasz przykłady wielkości wektorowych i wielkości skalarnych?e) Co nazywamy gęstością?f) Od czego zależy gęstość ciała?g) Co oznaczają przedrostki kilo-, hekto-, mega- ?

Odpowiedź:

a) Miarą wszystkich oddziaływań jest siła działająca na ciało związana z określonymoddziaływaniem.b) Wielkość wektorowa charakteryzowana jest poprzez podanie kierunku, zwrotu, wartościi punktu przyłożenia.c) Wielkość skalarna jest jednoznacznie opisana za pomocą mianowanej liczby określającą jejwartość. Jest to wielkość izotropowa, co oznacza, że jej wartość nie jest zależna od kierunkurozpatrywanego w opisie zjawiska związanego z tą wielkością.d) Wielkością wektorową jest siła, przesunięcie, ciężar. Wielkością skalarną jest masa,temperatura, objętość.e) Gęstość to liczność materii w przeliczeniu na jednostkę objętości, czyli wielkośćdefiniowana jako stosunek masy substancji do objętości przez nią zajmowanej.f) Gęstość ciała zależy od jego stanu skupienia. Gęstość ciała stałego jest podobna dowielkości gęstości cieczy. Gęstość gazu jest o wiele rzędów wielkości niższa.g) Często używane przedrostki stosowane w układzie SI to kilo- 10 , hekto- 10 i mega- 10 .

Realizacja lekcji

Polecenie 1

Przyjrzyj się zdjęciom i odpowiedz na pytanie:

[Ilustracja 1]

W których butach wybrałby się do:

3 2 6

a) kina,b) w góry,c) na bal.

Podaj uzasadnienie wyboru.

Wniosek:

a) Do kina w tenisówkach, bo wygodne i duża powierzchnia styku z powierzchnią podłogi.Podeszwa gumowa zapobiega poślizgowi.b) W góry buty turystyczne, bo duża powierzchnia podeszwy, co daje dobrą przyczepność,sztywny materiał podeszwy jest odporny na ścieranie.c) Na bal w szpilkach bo eleganckie, pomimo że mało wygodne, bo powierzchnia stykuz podłogą jest mała.

Doświadczenie 1

Problem badawczy:

Od czego zależą skutki działania stałej siły o kierunku prostopadłym do powierzchni.

Hipoteza badawcza:

Skutki działania tej siły zależą od wielkości powierzchni, na którą ta siła działa i odwytrzymałości ciała, które podlega obciążeniu.

Pomoce:

1. Pudełko wypełnione np. mąką (lub wilgotnym piaskiem).2. Ciężki prostopadłościan o różnych ścianach bocznych.

Instrukcja:

1. Wygładź mąkę w pudełku.2. Połóż na mąkę prostopadłościan na boku o średniej powierzchni.3. Podnieś go tak, aby pozostał odcisk powierzchni na której leżał.4. Powtórz to samo dla pozostałych boków.

Obserwacja:

W każdym z trzech badanych przypadków wartość siły (ciężar prostopadłościanu) i jejkierunek (pionowo w dół) były jednakowe. Zmianie ulegała jedynie wielkość powierzchni, naktórą ta siła działała. Im ta powierzchnia była większa, tym mniejsze było zagłębieniew mące.

Wniosek:

Skutek bezpośredniego oddziaływania siły rozłożonej na powierzchni jest zależny odpowierzchni styku oddziałujących ciał.

Im mniejsza powierzchnia odziaływania tym skutek oddziaływania jest większy.

Polecenie 2

Obejrzyj aplet Geogebry „Skutek działania różnej siły na tą samą powierzchnię”przedstawiający zgłębnik w postaci walca postawiony na piasku na walec działają różne siłyF od 0 N do 10 N. Ze wzrostem siły walec coraz bardziej się zagłębia.

[Geogebra aplet]

[Galeria 1]

Polecenie 3

Podaj ogólny wniosek wynikający z doświadczenia i obejrzanego apletu.

Wniosek:

Skutki działania siły zależą od jej wartości oraz od rozmiaru pola powierzchni, na którą ta siładziała.

Podsumowanie:

- Siłę, która nie jest przyłożona punktowo, lecz działa na pewną powierzchnię, nazywamysiłą nacisku lub parciem.- Wielkość fizyczną, która informuje nas o tym, jak duża siła nacisku działa na jednostkępowierzchni, nazywamy ciśnieniem.

Ciśnienie oznaczamy małą literą p. W celu obliczenia ciśnienia należy wartość siły naciskuF (parcie) podzielić przez pole powierzchni S, na które ta siła działa.

Wzór na ciśnienie:

czyli:

Jednostką ciśnienia w układzie SI jest paskal (Pa).

Uwaga!

ciśnienie =wartośćsiły nacisku (parcie)

pole powierzchni

p = FS

[p] =[F ]

[S] = 1 N1 m2 = 1 Pa

Ciśnienie jest wielkością skalarną. Nie można określić ani kierunku ciśnienia ani jegozwrotu.

Polecenie 4

Podaj co oznacza, że ciśnienie ma wartość 20 Pa (dwudziestu paskali).

Odpowiedź:

Ciśnienie 20 Pa oznacza nacisk 20 N (dwadzieścia Newtonów) na 1 m (jeden metrkwadratowy) powierzchni obciążanej.

Doświadczenie 2

Problem badawczy:

Czy istnieje zależność między ciśnieniem hydrostatycznym wywieranym przez ciecza wysokością słupa cieczy?

Hipoteza:

Ciśnienie hydrostatyczne rośnie wraz ze wzrostem słupa cieczy.

Co będzie potrzebne:

a) półtoralitrowa plastikowa butelka po napoju;b) miska o płaskiej powierzchni;c) igła;d) woda;e) podstawka pod butelkę.

Instrukcja:

a) W butelce zrób kilka otworów (cztery lub pięć) jeden nad drugim.Zachowaj między nimi równe odstępy.b) Postaw butelkę w misce na wysokiej podstawce.c) Napełnij butelkę wodą.

Obserwacja:

[Ilustracja 2]

Zasięg strumienia wody wypływającego przez otwór znajdujący się najbliżej dna butelki jestnajwiększy, a strumienia wypływającego przez najwyższy otwór – najmniejszy.

Wniosek:

2

Ciśnienie hydrostatyczne zależy od wysokości słupa cieczy. Im jest on wyższy, tym ciśnieniewywierane przez ciecz jest większe.

Doświadczenie 3

Wpływ gęstości cieczy na ciśnienie jakie ona wywiera.

Problem badawczy:

Czy ciśnienie hydrostatyczne zależy od gęstości cieczy?

Hipoteza:

Wzrost gęstości cieczy powoduje wzrost ciśnienia hydrostatycznego.

Co będzie potrzebne:

a) trzy jednakowe, małe plastikowe butelki po napojach;b) trzy baloniki;c) trzy gumki recepturki;d) nożyczki;e) trzy statywy laboratoryjne;f) woda;g) denaturat;h) olej.

Instrukcja postępowania:

a) Odetnij nożyczkami dna butelek.b) Z baloników wytnij trzy membrany.c) Na każdą z butelek załóż membranę (zamiast zakrętki).d) Każdą membranę uszczelnij na krawędzi butelki gumką recepturką.e) Umieść butelki na statywach.f) Do każdej z nich nalej taką samą objętość różnych cieczy: do pierwszej – wodę, do drugiej– denaturat, a do trzeciej – olej.

Obserwacja:

[Ilustracja 3]

Wniosek:

Wszystkie membrany miały taką samą powierzchnię. Jeśli więc skorzystamy z definicjiciśnienia, dojdziemy do wniosku, że największe ciśnienie wywarła ciecz o największejgęstości – woda, ciśnienie o średniej wartości wywarł olej, a o najmniejszej wartości –denaturat, ponieważ jego gęstość jest najmniejsza. Doświadczenie wykazało, że ciśnienie

cieczy zależy nie tylko od wysokości jej słupa, lecz także od rodzaju cieczy, a dokładniej od jejgęstości.

Ciśnienie hydrostatyczne zależy od wysokości słupa cieczy i gęstości cieczy.

Podsumowanie:

Jak pamiętasz z początku lekcji:

czyli:

Siła nacisku jest równa ciężarowi cieczy znajdującej się nad powierzchnią S. Wzór na ciężar(nie tylko cieczy), to:

a na gęstość:

Po przekształceniu:

Z tego wynika, że:

A skoro objętość jest równa iloczynowi pola powierzchni i wysokości:

Stąd po podstawieniu powyższej zależności do wzoru na ciężar, otrzymujemy:

I dalej przekształcając podstawiamy wyznaczoną zależność na ciężar ciała do wzoru naciśnienie i otrzymujemy:

po uproszczeniu otrzymałeś wzór na ciśnienie hydrostatyczne:

ciśnienie = wwartośćsiły nacisku (parcie)pole powierzchni

p = FS

Q = m ⋅ g

d = mV

m = d ⋅ V

Q = V ⋅ d ⋅ g

V = S ⋅ h

Q = S ⋅ h ⋅ g ⋅ d

p =S ⋅ h ⋅ g ⋅ d

S

p = h ⋅ g ⋅ d

p [ ] – ciśnienie cieczy,

d [ ] – gęstość cieczy,

g [ ] – przyspieszenie ziemskie,

h [ ] – wysokość słupa cieczy.

Obejrzyj zdjęcia 1, 2, 3, 4 przedstawiające różne barometry i odpowiedz na pytania.

[Ilustracja 4]

Odpowiedz na pytania:

a) Do pomiaru jakie wielkości fizycznej służą przyrządy na zdjęciach 1 - 4?b) Od czego zależy ciśnienie atmosferyczne?c) Czy ciśnienie atmosferyczne na Ziemi w każdym miejscu jest takie same?d) Gdzie panuje większe ciśnienie atmosferyczne w górach czy nad morzem?

Odpowiedź:

a) Przedstawione na zdjęciach barometry służą do pomiaru ciśnienia atmosferycznego.b) Ciśnienie atmosferyczne zależy od zawartości wody w atmosferze.c) Ciśnienie atmosferyczne jest różne w różnych miejscach powierzchni Ziemi.d) Większe ciśnienie atmosferyczne jest większe na nizinach i nad morzem będzie ciśnienieatmosferyczne wyższe niż w górach.

Podsumowanie lekcji

- Ciśnienie to wielkość fizyczna, która informuje nas o tym, jak duża siła nacisku, nazywanainaczej parciem, działa na jednostkę powierzchni.- Ciśnienie oznaczamy małą literą p.- Aby obliczyć ciśnienie, należy siłę nacisku F (parcie), działającą prostopadle dopowierzchni, podzielić przez pole powierzchni S, na które ta siła działa.- Podstawową jednostką ciśnienia w układzie SI jest paskal (1 Pa).- 1 paskal to ciśnienie wywierane przez siłę o wartości 1 niutona działającą na powierzchnię1 m . Często używaną jednostką ciśnienia jest hektopaskal. 1 hPa = 100 Pa.- Ciśnienie spowodowane ciężarem cieczy znajdującej się w spoczynku to ciśnieniehydrostatyczne. Ciśnienie hydrostatyczne zależy zarówno od wysokości słupa cieczy, jak i odjej gęstości.- Ciśnienie atmosferyczne jest ciśnieniem wywieranym przez atmosferę na ciała znajdującesię w jej obszarze lub na powierzchni Ziemi. Ciśnienie atmosferyczne – podobnie jakciśnienie hydrostatyczne – związane jest z ciężarem powietrza znajdującego się powyżejpoziomu, na którym dokonujemy pomiaru ciśnienia. Im bliżej powierzchni Ziemi, tymwyższe jest ciśnienie atmosferyczne, i odwrotnie – na szczytach górskich jest ono niższe niżw dolinach. Wraz ze wzrostem wysokości o jeden metr, licząc od poziomu morza, ciśnienie

Pa

kg

m3

ms2

m

2

atmosferyczne maleje o ok. 0,13 hPa. Ciśnienie atmosferyczne się zmienia. Jego wartość napoziomie morza wynosi w przybliżeniu 1013,25 hPa. Nazywamy je ciśnieniem normalnym.

Lesson plan

Topic

Pressure. Hydrostatic pressure and atmospheric pressure

Level

Second

Core curriculum

I. The use of physical concepts and quantities to describe phenomena and to indicate theirexamples in the surrounding reality. The student:

V. 3) uses the concept of normal force and the concept of pressure in liquids and gases alongwith its unit; applies the relationship between normal force and pressure to the calculation;

4) uses the concept of atmospheric pressure.

Timing

45 minutes

General learning objectives

Using physical quantities to describe the pressure.

Key competences

1. Recognition of pressure as a physical quantity and its unit.

2. Determining types of pressure.

Operational (detailed) goals

The student:

- recognizes the concept of: normal force, pressure, pascal,

- determines what the different type of pressure depends on; knows the pressure unit.

Methods

1. Learning by observation.

2. Teaching by studying experimental problems.

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

Forms of work

1. Individual or group work while solving problem tasks.

2. Work with the whole class.

Lesson stages

Introduction

Answer the questions:

a) What is the measure of all interactions?b) What are the characteristics of a vector quantity?c) What are the characteristics of a scalar quantity?d) What are the examples of vector quantities and scalar quantities?e) What is the density?f) What determines the density of the body?g) What do the prefixes kilo-, hekto-, mega- ?

Answer:

a) The measure of all interactions is the force acting on the body associated with thespecific interaction.b) Vector quantity is characterized by specifying direction (direction and return orsense), magnitude and point of application (not always taken into account).c) The scalar quantity is uniquely described by a number accompanied by a unit, defining itsmagnitude. It is an isotropic quantity, which means that its magnitude is not dependent onthe direction considered in the description of the phenomenon associated with thisquantity.d) The vector quantities are force, displacement and velocity. The scalar quantities are mass,temperature, volume.e) Density is the amount of matter per unit of volume, i.e. the quantity defined as the ratio ofthe mass of the substance to the volume occupied by it.f) Density of a body depends on its physical state. The density of solids is similar to thedensity of liquids. The density of gases is many orders of magnitude smaller.g) Frequently used prefixes in the SI system are kilo- 10 , hecto- 10 and mega- 10 .

Procedure

Task 1

Look at the pictures and answer the question:

[Illustration 1]

3 2 6

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

In which shoes would you go:

a) to the cinema,b) to the mountains,c) to the ball?

Provide the explanation for you choice.

Answer:

a) To the cinema in sneakers, because they are comfortable and have large contact area withthe floor surface. Rubber sole prevents slipping.

b) In the mountains in hiking shoes, because of the large area of the sole, which gives a goodgrip, the rigid material of the sole is resistant to abrasion.

c) To the ball in high heels because they are elegant, although not very comfortable, and thecontact area with the floor is small.

Experiment 1

Research problem:

What determines the effects of the constant force with direction perpendicular to thesurface.

Research hypothesis:

The effects of this force depend on the surface area on which this force operates and itsvalue.

Requisites:

1. A box filled with, for example, flour (or wet sand).2. A heavy cuboid with different side walls.

Instruction:

1. Smooth the surface of the flour in the box.2. Place a cuboid with the side of medium area on the flour.3. Lift it so that the imprint remains on the surface of the flour.4. Repeat the same for the other sides of cuboid.

Observation:

In each of the three examined cases, the force (cuboid weight) and its direction (verticallydown) were the same. Only the area of the surface on which this force acted was changed.The larger the area, the smaller the hollow in the flour.

javascript:void(0);

javascript:void(0);

Conclusion:

The effect of the contact interaction of the force distributed over the surface depends onthe contact surface area of the interacting bodies.

The smaller the area of the interaction, the greater the effect of the interaction.

Task 2

View the Geogebra applet „Effect of varying force on the same surface area” depictinga cylinder placed on the sand. Different forces F from 0 N to 10 N act on the cylinder. Withincreasing force, the cylinder is getting deeper into the sand.

[Geogebra aplet]

[Gallery 1]

Task 3

Provide a general conclusion resulting from the experiment and the viewed applet.

Conclusion:

The effects of the force depend on its magnitude and the area of the surface on which thisforce acts.

Summary:

A force that is not applied at a point but acts perpendicular to the surface that an objectcontacts, is called the normal force.

The physical quantity, which is the force applied perpendicular to the surface of the objectper unit of surface on which this force operates, is called pressure.

The pressure is indicated by a lowercase letter p. In order to calculate the pressure, thenormal force F should be divided by the surface area S, over which this force is distributed.

The formula for pressure:

then:

The unit of pressure in the SI system is pascal (Pa).

pressure =magnitude of force

surface area

p = FS

[p] =[F ]

[S] = 1 N1 m2 = 1 Pa

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

Note:

The pressure is a scalar quantity. You cannot determine the direction of the pressure.

Task 4

Explain what it means that the pressure is 20 Pa (twenty pascals).

Answer:

The pressure of 20 Pa means a force of 20 N (twenty newton) per surface 1 m (one squaremeter).

Experiment 2

Research problem:

Is there a relationship between the hydrostatic pressure exerted by the liquid and theheight of the liquid column?

Hypothesis:

The hydrostatic pressure increases with the increase of the height of the liquid column.

What will be needed:

a) a 1,5 l plastic beverage bottle;b) bowl with a flat surface;c) needle;d) water;e) a bottle support.

Instruction:

a) Make a few holes (four or five) in the bottle one above the other. Keep even gaps betweenthem.b) Put the bottle in a bowl on the support.c) Fill the bottle with water.

Observation:

[Illustration 2]

The range of the water jet flowing out through the hole closest to the bottom of the bottle isthe largest, and the range of the jet flowing out through the highest hole - the smallest.

Conclusion:

2

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

The hydrostatic pressure depends on the height of the liquid column. The higher it is, thelarger the pressure exerted by the liquid.

Experiment 3

The influence of the liquid density on the pressure it exerts.

Research problem:

Does the hydrostatic pressure depend on the density of the liquid?

Hypothesis:

The increase in the density of the liquid increases the hydrostatic pressure.

What will be needed:

a) three identical, small plastic drinks bottles;b) three balloons;c) three rubber bands;d) scissors;e) three laboratory retort stands;f) water;g) denatured alcohol;h) oil.

Instructions:

a) Cut the bottoms of the bottles with scissors.b) Cut out three membranes from the balloons.c) Put a membrane on each bottle (instead of the cap).d) Seal each membrane on the edge of the bottle with a rubber band.e) Attach the bottles to retort stands.f) Put the same volume of different liquids into each of them: the first one - water, thesecond - denatured alcohol, and the third - oil.

Observation:

[Illustration 3]

After deformation of the membranes, it can be assumed that the highest pressure is exertedby the liquid with the largest density (in our experiment it is water), and the smallest - bythe liquid with the lowest density (i.e. denatured alcohol).

Conclusion:

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

All membranes had the same surface area. So if we use the definition of pressure, we cometo the conclusion that the highest pressure was exerted by the liquid with the largestdensity - water, the medium pressure exerted oil, and the lowest pressure – denaturedalcohol, because its density is the smallest. Experiment showed that the pressure of theliquid depends not only on the height of the column, but also on the type of liquid, and morespecifically on its density.

The hydrostatic pressure depends on the height of the liquid column and the density of theliquid

Summary:

As you remember from the beginning of the lesson:

i.e.

The force is equal to the weight of the liquid above the surface S. The formula for weight(not only liquids) is:

and for density:

After transformation:

It follows that:

And since the volume is equal to the product of the base surface area and the height:

hence, after substituting the above expression to the formula for weight, we get:

And then, we substitute the expression for the weight to the formula for the pressure andwe get:

pressure =magnitude of force

surface area

p = FS

Q = m ⋅ g

d = mV

m = d ⋅ V

Q = V ⋅ d ⋅ g

V = S ⋅ h

Q = S ⋅ h ⋅ g ⋅ d

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

after simplification, we got the formula for hydrostatic pressure:

p [ ] – pressure exerted by the liquid,

d [ ] – density of the liquid,

g [ ] - standard gravitaty,

h [ ] - the height of the liquid column.

View photos 1, 2, 3, 4 showing different barometers and answer the questions.

[Illustration 4]

[Illustration 5]

[Illustration 6]

[Illustration 7]

Answer the questions:

a) What physical quantity can be measured using the instruments in pictures 1 - 4?b) What determines the atmospheric pressure?c) Is the atmospheric pressure on the Earth the same everywhere?d) Where is the higher atmospheric pressure in the mountains or by the sea?

Answer:

a) The barometers shown in the pictures are used to measure atmospheric pressure.b) Atmospheric pressure depends among others on the water content in the atmosphere.c) Atmospheric pressure is different at different places on the Earth's surface.d) The atmospheric pressure in the lowlands and by the sea is higher than the atmosphericpressure in the mountains.

Lesson summary

- The pressure is the physical quantity that informs us how large is the force exerted ona surface area unit.- The pressure is indicated by a lowercase letter p.- To calculate the pressure, the force F acting perpendicular to the surface should bedivided by the surface area S, on which this force acts.- The basic pressure unit in the SI system is pascal (1 Pa).- 1 pascal is the pressure exerted by a force of 1 newton acting on a surface of 1 m .

p =S ⋅ h ⋅ g ⋅ d

S

p = h ⋅ g ⋅ d

Pa

kg

m3

ms2

m

2

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

Practically often used pressure units are also hektopascal (1 hPa = 100 Pa), kilopascal (1 kPa =1000 Pa) and megapascal (1 MPa = 1000000 Pa).- The pressure due to the weight of the liquid at rest is called hydrostatic pressure. Thehydrostatic pressure depends both on the height of the liquid column and its density.- Atmospheric pressure is the pressure exerted by the atmosphere on the bodies in its areaor on the surface of the Earth. Atmospheric pressure - like hydrostatic pressure - is relatedto the weight of the air above the level at which we measure the pressure. The closer to theEarth's surface, the higher the atmospheric pressure, and conversely - it is lower onmountain peaks than in the valleys. With the height increase by one meter, counting fromthe sea level, the atmospheric pressure decreases by approximately 11,3 Pa. Atmosphericpressure is changing. Its value at sea level is approximately 1013,25 hPa. We name it normalpressure.

Selected words and expressions used in the lesson plan


barometer

density

height of the liquid column

hydrostatic pressure

normal force

pascal

pressure

surface

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

javascript:void(0);

Pressure. Hydrosta c pressure and atmospheric pressure

Documents

Transcript of Pressure. Hydrosta c pressure and atmospheric pressure