一種伯努力方程實驗方法與流程

本發明涉及一種物理實驗方法，尤其涉及一種伯努力方程實驗方法。

背景技術：

伯努利方程是流體力學中最基本最重要的方程，伯努利方程的驗證在高等院校的理工科各專業都應是必開實驗。但對于理想流體條件下的定常流動，流體中任何一點的壓力，速度和密度等物理量都不隨時間變化，需要在恒定水流，采用長流水工作的儀器，才能進行伯努力方程的驗證實驗。現有的伯努力方程實驗中都是采用水泵不間斷的向具有固定高度(容量)的水箱供水，使得水流連續溢出，才能保證水箱內水位不變，實現恒壓供水，存在的問題是：

1、水泵在實驗前及實驗中都必須處于工作狀態，產生的噪音非常大，特別是在金屬制成的水箱內，噪音更大。若是分組實驗，幾臺儀器同時工作時，噪音淹沒了講話的聲音，教師無法指導學生實驗。

2、為保證水流從水箱連續溢出，需要水量很大，所需裝置復雜，占用空間大

3、需要電力驅動水泵，水與電力設備同時工作，安全性差。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種實驗方法，解決背景技術中的問題。即不使用水泵持續供水，在忽略水的粘滯阻力情況下實現水流的定常流動，以驗證伯努力方程所揭示的流體能量守恒定律。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種伯努力方程實驗方法，如圖1所示。

選取兩個圓柱形水箱，一個主水箱1，一個副水箱3；

主水箱的底部通過連接管與副水箱頂部相連接，在連接管上設有總水閥2；

副水箱3為密閉的金屬圓筒，頂部制成上凸的圓球面，球面最高處通過連接管和主水箱1相連通，側面底部安裝出水閥4。

選取一個帶有刻度的玻璃瓶6，瓶口用膠塞密封，通過膠塞上插入的連接管和出水閥4連通，并從膠塞向玻璃瓶6內插入一根細玻璃管8，玻璃瓶6的底部設有出水孔7和伯努力方程實驗儀測量部分連接。

所述的伯努力方程實驗儀的測量部分包括靜壓頭測管8、總壓頭測管9、水管10、流量計11、出口調節閥12。

當液體充滿玻璃瓶6后，關閉出水閥4，打開出口調節閥12，水流從出水孔7流出。首先是細玻璃管5內的水柱迅速下落至細玻璃管5的下端部管口處，即不再降落，此處液面始終和空氣接觸，所以此處液面受到的壓強即為大氣壓強p_a；然后玻璃瓶內上部的液體逐漸下落，由于玻璃瓶內是密閉的，所以在玻璃瓶內上部液面的壓強p₀將會低于大氣壓強p_a，則細玻璃管5內的空氣不斷地通過管口補充到玻璃瓶上部的空間內，使得玻璃瓶內液體不斷從出水孔7流出，玻璃瓶上部的液面不斷降低。由流體力學可知，出水孔7處的壓強p只取決于細玻璃管5的下端口與玻璃瓶底部的高度h_a，即

p＝p_a+ρgh_a

式中：

ρ是水的密度；

g為重力加速度。

如果從玻璃瓶上部的液面計算出水孔7處的壓強p，設玻璃瓶上部的液面到玻璃瓶底的的高度為h，則

p＝p₀+ρgh

則可得到

p_a+ρgh_a＝p₀+ρgh

或者ρgh-ρgh_a＝p_a-p₀

即細玻璃管5的下端部管口處的大氣壓強p_a與玻璃瓶內上部液面的壓強p₀之差，等于玻璃瓶內上部液面到細玻璃管5的下端部管口這段水柱的高度，而這段水柱的高度隨著玻璃瓶內液體的流出而不斷減小，細玻璃管內空氣不斷由下端管口進入玻璃瓶內上部液面，以使壓強p₀不斷增大，直到p₀＝p_a為止，即玻璃瓶內上部液面和玻璃管下端口平齊之前，出水孔處的壓強p始終不變。

玻璃瓶6內上部液面和細玻璃管8下端口平齊后，水流從出水孔7處繼續流出，則h_a改變，出水孔7處的壓強逐漸減小，不再是恒定的壓強。

當副水箱3與玻璃瓶6連通后，關閉總水閥2，打開出水閥4，副水箱3便成為玻璃瓶6的容積的一部分。

所述的恒壓管3的下端面距離玻璃瓶6的底部高度不小于10cm。

當定常流動的水流經測量部分的水管后，即可觀察并記錄A、B、C、D各截面上靜壓頭測管8、總壓頭測管9的水頭高度，依據伯努力方程，即可解釋被測量管路中流體流動過程中各點的能量變化。

由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明實施例提供的一種伯努力方程實驗方法，實驗中用水少，不使用電力驅動的水泵，沒有噪音，在任何地方都可以操作，不影響其他人工作。

附圖說明

圖1為本發明實施例提供的一種伯努力方程實驗方法的儀器結構示意圖。

圖2為本發明實施例提供的一種伯努力方程實驗方法的恒壓原理圖。

具體實施方式

下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例的實施方案進行清楚、完整地描述。

1、調整伯努力方程實驗裝置至工作狀態

讓水流充滿箱體、管路的各個部分，而且中間不得有氣泡存留，按如下步驟進行：

(1)打開總水閥2，關閉出水閥4，向主水箱1及副水箱3加入約40升的水，因為副水箱3頂部制成上凸的圓球面，球面最高處通過連接管和主水箱1相連通，所以在副水箱3內會充滿水而不會有空氣存留。

(2)關閉出口調節閥12，打開出水閥4，水流進入玻璃瓶6，并經過出水孔7流入測量部分的水管10內。因為出口調節閥12關閉，所以水流流進玻璃瓶6，并經過出水孔7流入測量部分的水管10進入靜壓頭測管8、總壓頭測管9。

(3)水流充滿玻璃瓶6后，打開出口調節閥12，水流經過流量計11流出，此時輕彈水管各部位，將氣泡全部排出后，關閉流出口節閥12、出水閥4及總水閥2，觀察密封瓶及各測壓管內液面平齊，各管路應沒有空氣氣泡阻隔，水流暢通。

能夠向伯努力方程實驗儀測量部分提供多少壓力恒定的水流，取決于細玻璃管5的下端部管口處以上部分玻璃瓶內的容積，因為玻璃瓶6過于高大制作不便，使用亦不方便，本設計中的盛水部分采用主、副水箱的結構。如果實驗中將總水閥2關閉，打開出水閥4則副水箱3將成為密封瓶的一部分，則向測量部分提供恒壓水流的總量視副水箱3的容積而定。

2、恒壓供水過程

當玻璃瓶6內充滿水后，關閉出水閥4，打開出口調節閥12讓水流出，玻璃瓶6內細玻璃管5內的水位迅速下降到水管下端口位置，并在此位置保持不變，然后玻璃瓶6內的水經出水孔7流入測量部分的水管10。玻璃瓶6內的水位是在逐漸下降的，但細玻璃管5下端部水面壓強始終等于大氣壓強，所以在玻璃瓶6內的水位下降到細玻璃管5下部端口之前，出水孔7處的壓強始終取決于細玻璃管5的下端面到玻璃瓶6的底部高度，即出水孔7處得到的是恒定壓力的水流。

如果玻璃瓶6內細玻璃管5下端面以上部分的水量不夠完成測量工作時，可以關閉總水閥2而打開出水閥4，這樣副水箱3內的水就會成為玻璃瓶6內水量的補充，滿足實驗要求。只要確保副水箱3內沒有空氣存留，就不會影響實驗結果。

3、實驗過程

(1)關閉總水閥2，打開出水閥4，然后逐漸打開出口調節閥12，細玻璃管5內的水面迅速下降到底部管口(一般只需1-2秒的時間)后，觀察流量計11的讀數，調節出口調節閥12使得流量控制在5升/分鐘。

(2)在流體流動過程中，觀察并記錄A、B、C、D各截面上靜壓頭測管8、總壓頭測管9的水頭高度，依據伯努力方程，即可解釋各靜壓力水頭、總壓力水頭的量值關系及其相互轉換關系。

(3)調節出口調節閥12，使得流量減半后重復(2)的步驟。

(4)改變細玻璃管5的下端口與玻璃瓶6底部的高度h_a，即改變出口7處水流的壓力，重復(1)、(2)的步驟。

比較不同流量、壓力下各測壓管的水頭高度，可以直觀看出沿程的能量損失，以及總能量損失與流量、流速之間的關系。

由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明實施例提供的一種伯努力方程實驗方法具有如下特點：

不使用水泵持續供水，而采用一種恒壓裝置，在忽略水的粘滯阻力情況下實現水流的定常流動，以驗證伯努力方程，完全沒有噪音；

實驗中所需要水量很小，實驗儀器占用空間小，恒壓水流的壓力可以任意調節。

實驗中不需要電力設備，安全可靠。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。