第一章 流體力學(xué)

第一章流體力學(xué)第1頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一.什么是物理學(xué)

物理學(xué)是研究物質(zhì)世界最基本形態(tài)的科學(xué)

物理學(xué)研究的范圍——物質(zhì)世界的層次和數(shù)量級(jí)物理學(xué)(Physics)質(zhì)子10-15m空間尺度：物質(zhì)結(jié)構(gòu)物質(zhì)相互作用物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律微觀粒子Microscopic介觀物質(zhì)mesoscopic宏觀物質(zhì)macroscopic宇觀物質(zhì)cosmological類星體10

26m時(shí)間尺度：基本粒子壽命10-25s宇宙壽命1018s緒論第2頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月物理學(xué)的分支及近年來(lái)發(fā)展的總趨勢(shì)物理學(xué)經(jīng)典物理現(xiàn)代物理力學(xué)熱學(xué)電磁學(xué)光學(xué)相對(duì)論量子論非線性時(shí)間t關(guān)鍵概念的發(fā)展力學(xué)電磁學(xué)熱學(xué)相對(duì)論量子論1600170018001900第3頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

物理學(xué)是一切自然科學(xué)的基礎(chǔ)

物理學(xué)派生出來(lái)的分支及交叉學(xué)科物理學(xué)構(gòu)成了化學(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué)、地球物理學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)，物理學(xué)的基本概念和技術(shù)被應(yīng)用到所有自然科學(xué)之中。

物理學(xué)與數(shù)學(xué)之間有著深刻的內(nèi)在聯(lián)系粒子物理學(xué)原子核物理學(xué)原子分子物理學(xué)固體物理學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)激光物理學(xué)等離子體物理學(xué)地球物理學(xué)生物物理學(xué)天體物理學(xué)宇宙射線物理學(xué)三.物理學(xué)是構(gòu)成自然科學(xué)的理論基礎(chǔ)第4頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四.物理學(xué)與技術(shù)20世紀(jì)，物理學(xué)被公認(rèn)為科學(xué)技術(shù)發(fā)展中最重要的帶頭學(xué)科●熱機(jī)的發(fā)明和使用，提供了第一種模式：●

電氣化的進(jìn)程，提供了第二種模式：核能的利用激光器的產(chǎn)生層析成像技術(shù)(CT)超導(dǎo)電子技術(shù)技術(shù)——物理——技術(shù)物理——技術(shù)——物理粒子散射實(shí)驗(yàn)X射線的發(fā)現(xiàn)受激輻射理論低溫超導(dǎo)微觀理論第5頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五.物理學(xué)的方法和科學(xué)態(tài)度提出命題推測(cè)答案理論預(yù)言實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證修改理論現(xiàn)代物理學(xué)是一門(mén)理論和實(shí)驗(yàn)高度結(jié)合的精確科學(xué)

從新的觀測(cè)事實(shí)或?qū)嶒?yàn)事實(shí)中提煉出來(lái)，或從已有原理中推演出來(lái)

建立模型；用已知原理對(duì)現(xiàn)象作定性解釋，進(jìn)行邏輯推理和數(shù)學(xué)演算

新的理論必須提出能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)所證偽的預(yù)言

一切物理理論最終都要以觀測(cè)或?qū)嶒?yàn)事實(shí)為準(zhǔn)則

當(dāng)一個(gè)理論與實(shí)驗(yàn)事實(shí)不符時(shí)，它就面臨著被修改或被推翻

第6頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月六.怎樣學(xué)習(xí)物理學(xué)著名物理學(xué)家費(fèi)曼說(shuō)：科學(xué)是一種方法。它教導(dǎo)人們：一些事物是怎樣被了解的，什么事情是已知的，現(xiàn)在了解到了什么程度，如何對(duì)待疑問(wèn)和不確定性，證據(jù)服從什么法則；如何思考事物，做出判斷，如何區(qū)別真?zhèn)魏捅砻娆F(xiàn)象。著名物理學(xué)家愛(ài)因斯坦說(shuō)：

發(fā)展獨(dú)立思考和獨(dú)立判斷地一般能力，應(yīng)當(dāng)始終放在首位，而不應(yīng)當(dāng)把專業(yè)知識(shí)放在首位。如果一個(gè)人掌握了他的學(xué)科的基礎(chǔ)理論，并且學(xué)會(huì)了獨(dú)立思考和工作，他必定會(huì)找到自己的道路，而且比起那種主要以獲得細(xì)節(jié)知識(shí)為其培訓(xùn)內(nèi)容的人來(lái)，他一定會(huì)更好地適應(yīng)進(jìn)步和變化。第7頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月●

學(xué)習(xí)的觀點(diǎn)：從整體上邏輯地、協(xié)調(diào)地學(xué)習(xí)物理學(xué)，了解物理學(xué)中各個(gè)分支之間的相互聯(lián)系?！駥W(xué)習(xí)的重點(diǎn)：●物理模型

●數(shù)學(xué)表述

●研究方法與適用條件七.教學(xué)計(jì)劃●《物理學(xué)》周靜嫻主編中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社●《普通物理學(xué)》陳德萬(wàn)主編中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社

●《大學(xué)物理學(xué)習(xí)指導(dǎo)》張孝林主編科學(xué)出版社教材：《大學(xué)基礎(chǔ)物理學(xué)》習(xí)崗主編

高等教育出版社

●參考書(shū)：第8頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

內(nèi)容參考學(xué)時(shí)第1章流體力學(xué)基礎(chǔ)4第2章液體的表面性質(zhì)4第4章熱力學(xué)6第5章靜電場(chǎng)8第10章波動(dòng)光學(xué)8機(jī)動(dòng)、復(fù)習(xí)6教學(xué)計(jì)劃

(總學(xué)時(shí)36)實(shí)驗(yàn)總學(xué)時(shí)24,共10個(gè)實(shí)驗(yàn)第9頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一章流體力學(xué)基礎(chǔ)一、本章的基本內(nèi)容及研究思路本章主要研究液體力學(xué)即液體平衡和運(yùn)動(dòng)的規(guī)律的科學(xué)。液體最鮮明的特征是它的流動(dòng)性，這是區(qū)別于固體的一個(gè)根本性質(zhì)，其次，液體還具有粘滯性、不可壓縮性（與氣體相比，液體的可壓縮性是很小的）。由于液體力學(xué)研究的是流體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，因此，反映機(jī)械運(yùn)動(dòng)共同本質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)、質(zhì)點(diǎn)組力學(xué)規(guī)律，對(duì)液體也同樣適用。另一方面，液體還具有本身所特有的規(guī)律，如連續(xù)性原理、伯努利方程等。第10頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1-1理想流體的定常流動(dòng)一、理想流體的概念實(shí)際流體都是可壓縮的。就液體來(lái)說(shuō)，壓縮一般都很小，因此在研究氣體流動(dòng)的許多問(wèn)題中，壓縮性是可以忽略的。實(shí)際流體流動(dòng)中，流體各層有相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，相鄰兩層之間存在摩擦力，這種力阻礙流體各部分間的相對(duì)滑動(dòng)，流體的這種性質(zhì)，稱為粘滯性，在很多情況下，粘滯性可以忽略不計(jì)。我們研究的問(wèn)題中，壓縮性和粘滯性是影響流體運(yùn)動(dòng)的次要因素，只有流動(dòng)性才是決定運(yùn)動(dòng)的主要因素。完全不可壓縮又無(wú)粘性的流體叫做理想流體。第11頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、定常流動(dòng)、流線和流管1.定常流動(dòng)流速場(chǎng)定常流動(dòng)2.流線和流管AB

定常流動(dòng)的理想流體，空間任一點(diǎn)的流速具有唯一值。（1）流線流線上每一點(diǎn)的切線方向代表流經(jīng)該點(diǎn)的流體元的速度方向。實(shí)際上每條流線都表示流體元經(jīng)過(guò)的路線。流線不能有交點(diǎn)。（2）流管所有通過(guò)其上的流線所圍成的細(xì)管稱為流管。不會(huì)有任何一個(gè)流體元穿入或穿出流管第12頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、連續(xù)性原理如果流體不可壓縮常量質(zhì)量流量連續(xù)性方程在物理實(shí)質(zhì)上它體現(xiàn)了流體在流動(dòng)中質(zhì)量守恒第13頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月伯努利方程是流體動(dòng)力學(xué)的基本定律，它說(shuō)明了理想流體在管道中作穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，流體中某點(diǎn)的壓強(qiáng)p、流速v和高度h三個(gè)量之間的關(guān)系為式中

是流體的密度，g是重力加速度。運(yùn)用功能原理導(dǎo)出伯努利方程。我們研究管道中一段流體的運(yùn)動(dòng)。設(shè)在某一時(shí)刻，這段流體在a1a2位置，經(jīng)過(guò)極短時(shí)間t后，這段流體達(dá)到b1b2位置a1v1p1S1b1v2p2S2h1h2a2b2四、伯努利方程第14頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)在計(jì)算在流動(dòng)過(guò)程中，外力對(duì)這段流體所作的功。假設(shè)流體沒(méi)有粘性，管壁對(duì)它沒(méi)有摩擦力，那么，管壁對(duì)這段流體的作用力垂直于它的流動(dòng)方向，因而不作功。所以流動(dòng)過(guò)程中，除了重力之外，只有在它前后的流體對(duì)它作功。在它后面的流體推它前進(jìn)，這個(gè)作用力作正功；在它前面的流體阻礙它前進(jìn)，這個(gè)作用力作負(fù)功。因?yàn)闀r(shí)間t極短，所以a1b1和a2b2是兩段極短的位移，在每段極短的位移中，壓強(qiáng)p、截面積S和流速v都可看作不變。設(shè)p1、S1、v1和p2、S2、v2分別是a1b1與a2b2處流體的壓強(qiáng)、截面積和流速，則后面流體的作用力是p1S1，位移是v1t，所作的正功是p1S1v1t

，而前面流體作用力作的負(fù)功是-p2S2v2

t，由此，外力的總功是第15頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月其次，計(jì)算這段流體在流動(dòng)中能量的變化對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)來(lái)說(shuō)，在b1a2間的流體的動(dòng)能和勢(shì)能是不改變的。由此，就能量的變化來(lái)說(shuō)，可以看成是原先在a1b1處的流體，在時(shí)間t內(nèi)移到了a2b2處，由此而引起的能量增量是因?yàn)榱黧w被認(rèn)為不可壓縮。所以a1b1和a2b2兩小段流體的體積S1v1t和S2v2t必然相等，用V表示，則上式可寫(xiě)成外力的總功是第16頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月從功能原理得整理后得它表明在同一管道中任何一點(diǎn)處，流體每單位體積的動(dòng)能和勢(shì)能以及該處壓強(qiáng)之和是個(gè)常量。在工程上，上式常寫(xiě)成伯努利方程第17頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三項(xiàng)都相當(dāng)于長(zhǎng)度，分別叫做壓力頭、速度頭、水頭。所以伯努利方程表明在同一管道的任一處，壓力頭、速度頭、水頭之和是一常量，對(duì)作穩(wěn)定流動(dòng)的理想流體，用這個(gè)方程對(duì)確定流體內(nèi)部壓力和流速有很大的實(shí)際意義，在水利、造船、航空等工程部門(mén)有廣泛的應(yīng)用。第18頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月方程的應(yīng)用舉例1.小孔流速由伯努力方程得小孔流速流量S為小孔的截面積AB虹吸現(xiàn)象從虹吸管管口吸出的液體速度為：第19頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.皮托(pitot)管原理是一種用來(lái)測(cè)量流體速度的裝置hABhAB測(cè)液體液體流速為測(cè)氣體氣體流速為為液體密度為氣體密度第20頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月12P1S1P2S23.文丘里流量計(jì)原理第21頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ABABC4.空吸作用水流抽氣機(jī)原理噴霧器原理第22頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§1.3粘性流體的流動(dòng)

現(xiàn)在討論實(shí)際的流體，而不再是“理想流體”，我們知道，靜止流體中是不存在剪切應(yīng)力的，但當(dāng)各層流體之間有相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，在它們之間有切向的摩擦力——粘滯力。一、牛頓粘滯定律1.層流實(shí)際流體流速不大時(shí)，流速是分層有規(guī)律變化的，流層之間僅有相對(duì)滑動(dòng)，而不混合，稱為層流。層流特點(diǎn)：只有切向速度，沒(méi)有徑向速度。2.速度梯度粘滯流體沿x方向作層流，其速度沿y正方向增大,稱速度梯度。第23頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月yv1v2速度梯度粘滯定律粘滯系數(shù)與流體本身性質(zhì)有關(guān)溫度液體氣體單位:SI制:帕.秒2.粘滯系數(shù)第24頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月vsrp1p2液流粘滯力二、泊肅葉公式及應(yīng)用壓力差：粘滯阻力定常流動(dòng)可見(jiàn)，流速隨r的分布是：在圓管中心處最大，由此向管壁沿拋物線減小，到管壁為零。第25頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月測(cè)量粘滯系數(shù)可得若測(cè)出流量Qv、管徑R用得達(dá)西定理圓管中的流量為：第26頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例

血液流過(guò)一條長(zhǎng)為1mm，半徑為2μm的毛細(xì)血管時(shí)，如果最大流速為0.66mm·s-1,血液的粘滯系數(shù)為4.0×10-3

Pa·s，求毛細(xì)血管的血壓降為多少？

解：第2