第一章 流体力学

第一章流体力学第1页，课件共29页，创作于2023年2月一.什么是物理学

物理学是研究物质世界最基本形态的科学

物理学研究的范围——物质世界的层次和数量级物理学(Physics)质子10-15m空间尺度：物质结构物质相互作用物质运动规律微观粒子Microscopic介观物质mesoscopic宏观物质macroscopic宇观物质cosmological类星体10

26m时间尺度：基本粒子寿命10-25s宇宙寿命1018s绪论第2页，课件共29页，创作于2023年2月物理学的分支及近年来发展的总趋势物理学经典物理现代物理力学热学电磁学光学相对论量子论非线性时间t关键概念的发展力学电磁学热学相对论量子论1600170018001900第3页，课件共29页，创作于2023年2月

物理学是一切自然科学的基础

物理学派生出来的分支及交叉学科物理学构成了化学、生物学、材料科学、地球物理学等学科的基础，物理学的基本概念和技术被应用到所有自然科学之中。

物理学与数学之间有着深刻的内在联系粒子物理学原子核物理学原子分子物理学固体物理学凝聚态物理学激光物理学等离子体物理学地球物理学生物物理学天体物理学宇宙射线物理学三.物理学是构成自然科学的理论基础第4页，课件共29页，创作于2023年2月四.物理学与技术20世纪，物理学被公认为科学技术发展中最重要的带头学科●热机的发明和使用，提供了第一种模式：●

电气化的进程，提供了第二种模式：核能的利用激光器的产生层析成像技术(CT)超导电子技术技术——物理——技术物理——技术——物理粒子散射实验X射线的发现受激辐射理论低温超导微观理论第5页，课件共29页，创作于2023年2月五.物理学的方法和科学态度提出命题推测答案理论预言实验验证修改理论现代物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学

从新的观测事实或实验事实中提炼出来，或从已有原理中推演出来

建立模型；用已知原理对现象作定性解释，进行逻辑推理和数学演算

新的理论必须提出能够为实验所证伪的预言

一切物理理论最终都要以观测或实验事实为准则

当一个理论与实验事实不符时，它就面临着被修改或被推翻

第6页，课件共29页，创作于2023年2月六.怎样学习物理学著名物理学家费曼说：科学是一种方法。它教导人们：一些事物是怎样被了解的，什么事情是已知的，现在了解到了什么程度，如何对待疑问和不确定性，证据服从什么法则；如何思考事物，做出判断，如何区别真伪和表面现象。著名物理学家爱因斯坦说：

发展独立思考和独立判断地一般能力，应当始终放在首位，而不应当把专业知识放在首位。如果一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独立思考和工作，他必定会找到自己的道路，而且比起那种主要以获得细节知识为其培训内容的人来，他一定会更好地适应进步和变化。第7页，课件共29页，创作于2023年2月●

学习的观点：从整体上逻辑地、协调地学习物理学，了解物理学中各个分支之间的相互联系。●学习的重点：●物理模型

●数学表述

●研究方法与适用条件七.教学计划●《物理学》周静娴主编中国农业出版社●《普通物理学》陈德万主编中国农业出版社

●《大学物理学习指导》张孝林主编科学出版社教材：《大学基础物理学》习岗主编

高等教育出版社

●参考书：第8页，课件共29页，创作于2023年2月

内容参考学时第1章流体力学基础4第2章液体的表面性质4第4章热力学6第5章静电场8第10章波动光学8机动、复习6教学计划

(总学时36)实验总学时24,共10个实验第9页，课件共29页，创作于2023年2月第一章流体力学基础一、本章的基本内容及研究思路本章主要研究液体力学即液体平衡和运动的规律的科学。液体最鲜明的特征是它的流动性，这是区别于固体的一个根本性质，其次，液体还具有粘滞性、不可压缩性（与气体相比，液体的可压缩性是很小的）。由于液体力学研究的是流体的机械运动，因此，反映机械运动共同本质的质点、质点组力学规律，对液体也同样适用。另一方面，液体还具有本身所特有的规律，如连续性原理、伯努利方程等。第10页，课件共29页，创作于2023年2月1-1理想流体的定常流动一、理想流体的概念实际流体都是可压缩的。就液体来说，压缩一般都很小，因此在研究气体流动的许多问题中，压缩性是可以忽略的。实际流体流动中，流体各层有相对滑动时，相邻两层之间存在摩擦力，这种力阻碍流体各部分间的相对滑动，流体的这种性质，称为粘滞性，在很多情况下，粘滞性可以忽略不计。我们研究的问题中，压缩性和粘滞性是影响流体运动的次要因素，只有流动性才是决定运动的主要因素。完全不可压缩又无粘性的流体叫做理想流体。第11页，课件共29页，创作于2023年2月二、定常流动、流线和流管1.定常流动流速场定常流动2.流线和流管AB

定常流动的理想流体，空间任一点的流速具有唯一值。（1）流线流线上每一点的切线方向代表流经该点的流体元的速度方向。实际上每条流线都表示流体元经过的路线。流线不能有交点。（2）流管所有通过其上的流线所围成的细管称为流管。不会有任何一个流体元穿入或穿出流管第12页，课件共29页，创作于2023年2月三、连续性原理如果流体不可压缩常量质量流量连续性方程在物理实质上它体现了流体在流动中质量守恒第13页，课件共29页，创作于2023年2月伯努利方程是流体动力学的基本定律，它说明了理想流体在管道中作稳定流动时，流体中某点的压强p、流速v和高度h三个量之间的关系为式中

是流体的密度，g是重力加速度。运用功能原理导出伯努利方程。我们研究管道中一段流体的运动。设在某一时刻，这段流体在a1a2位置，经过极短时间t后，这段流体达到b1b2位置a1v1p1S1b1v2p2S2h1h2a2b2四、伯努利方程第14页，课件共29页，创作于2023年2月现在计算在流动过程中，外力对这段流体所作的功。假设流体没有粘性，管壁对它没有摩擦力，那么，管壁对这段流体的作用力垂直于它的流动方向，因而不作功。所以流动过程中，除了重力之外，只有在它前后的流体对它作功。在它后面的流体推它前进，这个作用力作正功；在它前面的流体阻碍它前进，这个作用力作负功。因为时间t极短，所以a1b1和a2b2是两段极短的位移，在每段极短的位移中，压强p、截面积S和流速v都可看作不变。设p1、S1、v1和p2、S2、v2分别是a1b1与a2b2处流体的压强、截面积和流速，则后面流体的作用力是p1S1，位移是v1t，所作的正功是p1S1v1t

，而前面流体作用力作的负功是-p2S2v2

t，由此，外力的总功是第15页，课件共29页，创作于2023年2月其次，计算这段流体在流动中能量的变化对于稳定流动来说，在b1a2间的流体的动能和势能是不改变的。由此，就能量的变化来说，可以看成是原先在a1b1处的流体，在时间t内移到了a2b2处，由此而引起的能量增量是因为流体被认为不可压缩。所以a1b1和a2b2两小段流体的体积S1v1t和S2v2t必然相等，用V表示，则上式可写成外力的总功是第16页，课件共29页，创作于2023年2月从功能原理得整理后得它表明在同一管道中任何一点处，流体每单位体积的动能和势能以及该处压强之和是个常量。在工程上，上式常写成伯努利方程第17页，课件共29页，创作于2023年2月三项都相当于长度，分别叫做压力头、速度头、水头。所以伯努利方程表明在同一管道的任一处，压力头、速度头、水头之和是一常量，对作稳定流动的理想流体，用这个方程对确定流体内部压力和流速有很大的实际意义，在水利、造船、航空等工程部门有广泛的应用。第18页，课件共29页，创作于2023年2月方程的应用举例1.小孔流速由伯努力方程得小孔流速流量S为小孔的截面积AB虹吸现象从虹吸管管口吸出的液体速度为：第19页，课件共29页，创作于2023年2月2.皮托(pitot)管原理是一种用来测量流体速度的装置hABhAB测液体液体流速为测气体气体流速为为液体密度为气体密度第20页，课件共29页，创作于2023年2月12P1S1P2S23.文丘里流量计原理第21页，课件共29页，创作于2023年2月ABABC4.空吸作用水流抽气机原理喷雾器原理第22页，课件共29页，创作于2023年2月§1.3粘性流体的流动

现在讨论实际的流体，而不再是“理想流体”，我们知道，静止流体中是不存在剪切应力的，但当各层流体之间有相对滑动时，在它们之间有切向的摩擦力——粘滞力。一、牛顿粘滞定律1.层流实际流体流速不大时，流速是分层有规律变化的，流层之间仅有相对滑动，而不混合，称为层流。层流特点：只有切向速度，没有径向速度。2.速度梯度粘滞流体沿x方向作层流，其速度沿y正方向增大,称速度梯度。第23页，课件共29页，创作于2023年2月yv1v2速度梯度粘滞定律粘滞系数与流体本身性质有关温度液体气体单位:SI制:帕.秒2.粘滞系数第24页，课件共29页，创作于2023年2月vsrp1p2液流粘滞力二、泊肃叶公式及应用压力差：粘滞阻力定常流动可见，流速随r的分布是：在圆管中心处最大，由此向管壁沿抛物线减小，到管壁为零。第25页，课件共29页，创作于2023年2月测量粘滞系数可得若测出流量Qv、管径R用得达西定理圆管中的流量为：第26页，课件共29页，创作于2023年2月例

血液流过一条长为1mm，半径为2µm的毛细血管时，如果最大流速为0.66mm·s-1,血液的粘滞系数为4.0×10-3

Pa·s，求毛细血管的血压降为多少？

解：第2