CN106409080A - 一种伯努力方程实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种伯努力方程实验方法，选取一个带有刻度的玻璃瓶，玻璃瓶的胶塞上设有连接管和副水箱底部的出水阀连通，玻璃瓶底部出水孔和伯努力方程实验仪测量部分的水管连接；从胶塞向玻璃瓶内插入一根细玻璃管，并向玻璃瓶内注满水后，关闭出水阀，打开出水孔后，首先是细玻璃管内的水柱迅速下落至细玻璃管的下端部管口处，即不再降落，玻璃瓶内上部液面和玻璃管下端口平齐之前，出水孔处的压强始终不变，可以向测量部分提供恒定压力的水流。实验中不使用水泵持续供水，而采用一种恒压装置，在忽略水的粘滞阻力情况下实现水流的定常流动，没有噪音；实验中所需要水量很小，不需要电力设备，安全可靠。

Description

一种伯努力方程实验方法
技术领域
本发明涉及一种物理实验方法，尤其涉及一种伯努力方程实验方法。
背景技术
伯努利方程是流体力学中最基本最重要的方程，伯努利方程的验证在高等院校的理工科各专业都应是必开实验。但对于理想流体条件下的定常流动，流体中任何一点的压力，速度和密度等物理量都不随时间变化，需要在恒定水流，采用长流水工作的仪器，才能进行伯努力方程的验证实验。现有的伯努力方程实验中都是采用水泵不间断的向具有固定高度(容量)的水箱供水，使得水流连续溢出，才能保证水箱内水位不变，实现恒压供水，存在的问题是：
1、水泵在实验前及实验中都必须处于工作状态，产生的噪音非常大，特别是在金属制成的水箱内，噪音更大。若是分组实验，几台仪器同时工作时，噪音淹没了讲话的声音，教师无法指导学生实验。
2、为保证水流从水箱连续溢出，需要水量很大，所需装置复杂，占用空间大
3、需要电力驱动水泵，水与电力设备同时工作，安全性差。
发明内容
本发明的目的是提供一种实验方法，解决背景技术中的问题。即不使用水泵持续供水，在忽略水的粘滞阻力情况下实现水流的定常流动，以验证伯努力方程所揭示的流体能量守恒定律。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种伯努力方程实验方法，如图1所示。
选取两个圆柱形水箱，一个主水箱1，一个副水箱3；
主水箱的底部通过连接管与副水箱顶部相连接，在连接管上设有总水阀2；
副水箱3为密闭的金属圆筒，顶部制成上凸的圆球面，球面最高处通过连接管和主水箱1相连通，侧面底部安装出水阀4。
选取一个带有刻度的玻璃瓶6，瓶口用胶塞密封，通过胶塞上插入的连接管和出水阀4连通，并从胶塞向玻璃瓶6内插入一根细玻璃管8，玻璃瓶6的底部设有出水孔7和伯努力方程实验仪测量部分连接。
所述的伯努力方程实验仪的测量部分包括静压头测管8、总压头测管9、水管10、流量计11、出口调节阀12。
当液体充满玻璃瓶6后，关闭出水阀4，打开出口调节阀12，水流从出水孔7流出。首先是细玻璃管5内的水柱迅速下落至细玻璃管5的下端部管口处，即不再降落，此处液面始终和空气接触，所以此处液面受到的压强即为大气压强pa；然后玻璃瓶内上部的液体逐渐下落，由于玻璃瓶内是密闭的，所以在玻璃瓶内上部液面的压强p0将会低于大气压强pa，则细玻璃管5内的空气不断地通过管口补充到玻璃瓶上部的空间内，使得玻璃瓶内液体不断从出水孔7流出，玻璃瓶上部的液面不断降低。由流体力学可知，出水孔7处的压强p只取决于细玻璃管5的下端口与玻璃瓶底部的高度ha，即
p＝pa+ρgha
式中：
ρ是水的密度；
g为重力加速度。
如果从玻璃瓶上部的液面计算出水孔7处的压强p，设玻璃瓶上部的液面到玻璃瓶底的的高度为h，则
p＝p0+ρgh
则可得到
pa+ρgha＝p0+ρgh
或者ρgh-ρgha＝pa-p0
即细玻璃管5的下端部管口处的大气压强pa与玻璃瓶内上部液面的压强p0之差，等于玻璃瓶内上部液面到细玻璃管5的下端部管口这段水柱的高度，而这段水柱的高度随着玻璃瓶内液体的流出而不断减小，细玻璃管内空气不断由下端管口进入玻璃瓶内上部液面，以使压强p0不断增大，直到p0＝pa为止，即玻璃瓶内上部液面和玻璃管下端口平齐之前，出水孔处的压强p始终不变。
玻璃瓶6内上部液面和细玻璃管8下端口平齐后，水流从出水孔7处继续流出，则ha改变，出水孔7处的压强逐渐减小，不再是恒定的压强。
当副水箱3与玻璃瓶6连通后，关闭总水阀2，打开出水阀4，副水箱3便成为玻璃瓶6的容积的一部分。
所述的恒压管3的下端面距离玻璃瓶6的底部高度不小于10cm。
当定常流动的水流经测量部分的水管后，即可观察并记录A、B、C、D各截面上静压头测管8、总压头测管9的水头高度，依据伯努力方程，即可解释被测量管路中流体流动过程中各点的能量变化。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的一种伯努力方程实验方法，实验中用水少，不使用电力驱动的水泵，没有噪音，在任何地方都可以操作，不影响其他人工作。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种伯努力方程实验方法的仪器结构示意图。
图2为本发明实施例提供的一种伯努力方程实验方法的恒压原理图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例的实施方案进行清楚、完整地描述。
1、调整伯努力方程实验装置至工作状态
让水流充满箱体、管路的各个部分，而且中间不得有气泡存留，按如下步骤进行：
(1)打开总水阀2，关闭出水阀4，向主水箱1及副水箱3加入约40升的水，因为副水箱3顶部制成上凸的圆球面，球面最高处通过连接管和主水箱1相连通，所以在副水箱3内会充满水而不会有空气存留。
(2)关闭出口调节阀12，打开出水阀4，水流进入玻璃瓶6，并经过出水孔7流入测量部分的水管10内。因为出口调节阀12关闭，所以水流流进玻璃瓶6，并经过出水孔7流入测量部分的水管10进入静压头测管8、总压头测管9。
(3)水流充满玻璃瓶6后，打开出口调节阀12，水流经过流量计11流出，此时轻弹水管各部位，将气泡全部排出后，关闭流出口节阀12、出水阀4及总水阀2，观察密封瓶及各测压管内液面平齐，各管路应没有空气气泡阻隔，水流畅通。
能够向伯努力方程实验仪测量部分提供多少压力恒定的水流，取决于细玻璃管5的下端部管口处以上部分玻璃瓶内的容积，因为玻璃瓶6过于高大制作不便，使用亦不方便，本设计中的盛水部分采用主、副水箱的结构。如果实验中将总水阀2关闭，打开出水阀4则副水箱3将成为密封瓶的一部分，则向测量部分提供恒压水流的总量视副水箱3的容积而定。
2、恒压供水过程
当玻璃瓶6内充满水后，关闭出水阀4，打开出口调节阀12让水流出，玻璃瓶6内细玻璃管5内的水位迅速下降到水管下端口位置，并在此位置保持不变，然后玻璃瓶6内的水经出水孔7流入测量部分的水管10。玻璃瓶6内的水位是在逐渐下降的，但细玻璃管5下端部水面压强始终等于大气压强，所以在玻璃瓶6内的水位下降到细玻璃管5下部端口之前，出水孔7处的压强始终取决于细玻璃管5的下端面到玻璃瓶6的底部高度，即出水孔7处得到的是恒定压力的水流。
如果玻璃瓶6内细玻璃管5下端面以上部分的水量不够完成测量工作时，可以关闭总水阀2而打开出水阀4，这样副水箱3内的水就会成为玻璃瓶6内水量的补充，满足实验要求。只要确保副水箱3内没有空气存留，就不会影响实验结果。
3、实验过程
(1)关闭总水阀2，打开出水阀4，然后逐渐打开出口调节阀12，细玻璃管5内的水面迅速下降到底部管口(一般只需1-2秒的时间)后，观察流量计11的读数，调节出口调节阀12使得流量控制在5升/分钟。
(2)在流体流动过程中，观察并记录A、B、C、D各截面上静压头测管8、总压头测管9的水头高度，依据伯努力方程，即可解释各静压力水头、总压力水头的量值关系及其相互转换关系。
(3)调节出口调节阀12，使得流量减半后重复(2)的步骤。
(4)改变细玻璃管5的下端口与玻璃瓶6底部的高度ha，即改变出口7处水流的压力，重复(1)、(2)的步骤。
比较不同流量、压力下各测压管的水头高度，可以直观看出沿程的能量损失，以及总能量损失与流量、流速之间的关系。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的一种伯努力方程实验方法具有如下特点：
不使用水泵持续供水，而采用一种恒压装置，在忽略水的粘滞阻力情况下实现水流的定常流动，以验证伯努力方程，完全没有噪音；
实验中所需要水量很小，实验仪器占用空间小，恒压水流的压力可以任意调节。
实验中不需要电力设备，安全可靠。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种伯努力方程实验方法，其特征在于，包括：
选取两个圆柱形水箱，一个主水箱，一个副水箱；
选取一个带有刻度的玻璃瓶，瓶口用胶塞密封，通过胶塞上插入的连接管和副水箱的出水阀连通；
通过胶塞向玻璃瓶内插入一根细玻璃管，玻璃瓶的底部设有出水孔和伯努力方程实验仪测量部分的水管连接；
当液体充满玻璃瓶后，关闭出水阀，如果出水孔打开，水流从出水孔流出，首先是细玻璃管内的水柱迅速下落至细玻璃管的下端部管口处，即不再降落，此处液面受到的大气压强为pa，然后玻璃瓶内上部液体的液面逐渐下落，玻璃瓶内上部液体液面的压强p0逐渐减小，但出水孔处的压强p只取决于细玻璃管的下端口与玻璃瓶底部的高度ha，即
p＝pa+ρgha
式中：ρ是水的密度，g为重力加速度；
从玻璃瓶上部的液面计算出水孔处的压强p，设玻璃瓶上部的液面到玻璃瓶底的高度为h，则
p＝p0+ρgh
ρgh-ρgha＝pa-p0
即细玻璃管的下端部管口处的大气压强pa与玻璃瓶内上部液面的压强p0之差，等于玻璃瓶内上部液面到细玻璃管的下端部管口这段水柱的高度，而这段水柱的高度随着玻璃瓶内液体的流出而不断减小，细玻璃管内空气不断由下端管口进入玻璃瓶内上部液面，以使压强p0不断增大，直到玻璃瓶内上部液面也降到细玻璃管的下端部管口处，则p0＝pa，即玻璃瓶内上部液面和玻璃管下端口平齐之前，出水孔处的压强p始终不变，即可向测量部分提供定常流动的水流；
定常流动的水流经测量部分的水管后，即可观察并记录A、B、C、D各截面上静压头、总压头的高度，依据伯努力方程，即可解释被测量管路中流体流动过程中各点的能量变化。
2.根据权利要求1所述的一种伯努力方程实验方法，其特征在于，所述的主水箱的底部通过连接管与副水箱顶部相连接，在连接管上设有总水阀。
3.根据权利要求1所述的一种伯努力方程实验方法，其特征在于，所述的副水箱为密闭的金属圆筒，顶部制成上凸的圆球面，球面最高处通过连接管和主水箱相连通，出水阀安装在副水箱的侧面底部。
4.根据权利要求1所述的一种伯努力方程实验方法，其特征在于，所述的副水箱与玻璃瓶连通后，关闭总水阀，打开出水阀，副水箱便成为玻璃瓶容积的一部分。
5.根据权利要求1所述的一种伯努力方程实验方法，其特征在于，所述的恒压管的下端面距离玻璃瓶的底部高度不小于10cm。
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