实验13 流体机械能转换实验
—、实验目的
1.1熟悉流动流体中各种能量和压头的概念及其相互转换关系，进一步理解伯努利方程的含义；
1.2 观察流体的变化规律；
1.3 观察各项压头的变化规律。
二、基本原理
2.1 流体能量的形式
流体在流动时有3种机械能，即位能、动能、压强能。这3种能量是可以相互转换的。当管路条件改变时，它们会自行转化。如果是理想流体，因不存在因摩擦和碰撞而产生的机械能损失，因此同一管路的任何两个截面上，尽管3种机械能彼此不一定相等，但这3种机械能的总和是相等的。
对实际流体来说，因为存在内摩擦，流动过程中总有部分机械能因摩擦和碰撞而损失，即转化为热能。转化为热能的机械能在管路中是不能恢复的，因此对实际流体来说，两个截面上的机械能的总和不相等，两者之差就是流体在这两个截面之间因摩擦和碰撞转化成为了热的机械能，即机械能损失。
2.2 液体柱表示流体机械能
流体机械能可用测压管中的一段液体柱的高度来表示。在流体力学中，把表示各种机械能的流体柱高度称之为“压头”。表示位能的称为位压头，表示动能的称为动压头，表示压力能的称为静压头，表示已消失的机械能的称为损失压头。当测压管上的小孔（即测压孔的中心线）与水流方向垂直时，测压管内的液位高度即为静压头，它反映测压点处液体的压强大小。测压孔处液体的位压头则由测压孔的几何高度决定。
当测压孔由上述方位转为正对水流方向时，测压管内液位将因此上升，所增加的液位高度即为测压孔处液体的动压头，它反映出该点水流动能的大小。这时测压管内液位总高度则为静压头与动压头之和。
任何两个截面上，位压头、动压头、静压头三者总和之差即为损失压头，它表示流体流过这两个截面之间的机械能的损失。
三、实验装置的基本情况（流程图见图一）
不锈钢离心泵 WB50/025 型
低位槽 700×453×496 材料不锈钢
高位槽 445×445×500 材料有机玻璃
实验测试导管的结构尺寸见图二中标绘
四、实验的操作方法：
1.将低位槽灌有一定数量的蒸馏水，关闭离心泵出口调节阀门及实验测试导
管出口调节阀门而后启动离心泵。
2.逐步开大离心泵出口调节阀当高位槽溢流管有液体溢流后，调节导管出口
调节阀为全开位置。
3.流体稳定后读取A、B、C、D截面静压头和冲压头并记录数据。
4.关小导管出口调节阀重复步骤。
5.分析讨论流体流过不同位置处的能量转换关系并得出结果。
6.关闭离心泵，实验结束。
五、使用设备时应注意的事项：
1．不要将离心泵出口调节阀开得过大以免使水流冲击到高位槽外面，同时导致高位槽液面不稳定。
2．当导管出口调节阀开大应检查一下高位槽内的水面是否稳定，当水面下降时应适当开大泵出口调节阀。
3．导管出口调节阀须缓慢地关小以免造成流量突然下降测压管中的水溢出管外。
4．注意排除实验导管内的空气泡。
5．离心泵不要空转和出口阀门全关的条件下工作。
六．观察结果：
机械能转化实验实验报告 篇一：机械能转化演示实验 篇二：机械能转化实验 机械能转化实验 一、实验目的 1.观测动、静、位压头随管径、位置、流量的变化情况，验证连续性方程和柏努利方程。 2.定量考察流体流经收缩、扩大管段时，流体流速与管径关系。 3.定量考察流体流经直管段时，流体阻力与流量关系。 4.定性观察流体流经节流元件、弯头的压损情况。 二、基本原理 化工生产中，流体的输送多在密闭的管道中进行，因此研究流体在管内的流动是化学工程中一个重要课题。任何运动的流体，仍然遵守质量守恒定律和能量守恒定律，这是研究流体力学性质的基本出发点。 1.连续性方程 对于流体在管内稳定流动时的质量守恒形式表现为如下的连续性方程： ?1??vdA??2??vdA （1－1） 12 根据平均流速的定义，有?1u1A1??2u2A2 （1－2）即
m1?m2（1－3）而对均质、不可压缩流体，?1??2?常数，则式（1－2）变为 u1A1?u2A2 （1－4） 可见，对均质、不可压缩流体，平均流速与流通截面积成反比，即面积越大，流速越小；反之，面积越小，流速越大。 对圆管，A??d/4，d为直径，于是式（1－4）可转化为 2 u1d1?u2d2（1－5） 22 2.机械能衡算方程 运动的流体除了遵循质量守恒定律以外，还应满足能量守恒定律，依此，在工程上可进一步得到十分重要的机械能衡算方程。 对于均质、不可压缩流体，在管路内稳定流动时，其机械能衡算方程（以单位质量流体为基准）为： upup z1?1?1?he?z2?2?2?hf （1－6） 2g?g2g?g 显然，上式中各项均具有高度的量纲，z称为位头，u/2g 称为动压头（速度头），p/?g称为静压头（压力头），he称为外加压头，hf称为压头损失。 关于上述机械能衡算方程的讨论： 理想流体的柏努利方程 无黏性的即没有黏性摩擦损失的流体称为理想流体，就是说，理想流体的hf?0，若此时又无外加功加入，则机械能
初中物理实验：机械能与内能相互转化实验研究 每一名从事初中物理教学的教师，在机械能与内能的相互转化章节教学中都要做两个物理演示实验，但要顺利完成这两个实验也许或多或少存在一些困难。各种教学资料中有关这两个物理实验特别是关于空气压缩引火仪的论述很多，但大多是从物理教学的需求来研究的，重点是如何使用器材，而笔者是从实验管理员的角度，着眼于器材制作和功能，重点是如何确保器材在实验中能正常使用，保证实验效果，从而为实验教学提供保障。 一、内能转化为机械能—酒精蒸汽爆炸装置 苏科版初中物理教材第十二章第四节《机械能与内能的相互转化》中的实验：演示点火爆炸—将内能转化为机械能，教材中有一张装置图片，但实验室没有现成的成套器材，需要自制。 制作材料：电子点火枪、塑料盒、5号电池、电烙铁。 材料来源：电子点火枪从液化气加气站门市部购得，每把15元左右（饭店多灶头点火工具）；塑料盒可用照相馆的废弃胶卷盒，其他塑料盒也可以，但盒体和盖配合应是压扣式而不是螺旋式。 制作方法：自制该实验装置主要是模仿教材中的设计，但教材中的文字叙述存在一些问题，如“在透明塑料盒的底部钻一个孔，把电子式火花发生器的放电管紧紧地塞进孔中，打开塑料盒盖，向盒中滴入数滴酒精，再将盒盖盖紧，然后按动电子火花发生器的按钮。你观察到什么现象？” 问题1：钻这个孔需要选用多大直径的钻头？ 问题2：如何确保孔和放电管紧密配合？ 问题3：滴入数滴酒精？是2滴还是3滴或是更多？ 问题4：观察到什么现象？是用眼睛来观察吗？这与塑料盒透明有关吗？ 笔者的做法是：用烧热的电烙铁在盒盖上烫一个孔，趁孔的四周塑料还是柔软时就将放电管塞进去，这样孔的大小和放电管就匹配了，冷却后虽有间隙但不会影响实验效果，不必“紧紧地塞进孔中”。酒精量的控制为，不管滴入多少酒精，摇晃几下塑料盒，然后将盒底朝上倒掉多余的酒精。如果一定要说量的多少，应是用滴管滴2～3滴。做演示实验前在盒外试一下电子枪，观察有没有电火花，也就是说电子枪是否正常。塑料盒盖上盖子后，一只手拿电子枪，另一只手握住塑料盒，将其加热一下，这一步很重要，因为我们点燃的是酒精蒸汽，用手掌加热一下塑料盒是为了加快酒精的蒸发，等待5～10秒，让盒内的酒精基本变成酒精蒸汽，这时就具备了点火条件，按动按钮就行了。 确保实验成功的条件有两个：一是电火花正常，如果是用打火机改装就无法确保电火花强劲和稳定；二是酒精蒸汽的浓度达到爆炸要求（参数为：爆炸极限浓度3.5%～18.0%（V/V））。由于爆炸是在瞬间完成，学生基本上是听到爆炸声。 二、做功改变物体的内能—空气压缩引火仪 苏科版初中物理教材第十二章第四节《机械能与内能的相互转化》中的实验：空气压缩引火仪。这一实验是物理传统实验，各种版本的教材上都有，有成熟的产品可供采购，也有很多关于它的使用和改进的好建议，但笔者认为要研究它，还是从仪器说明书入手比较好。 空气压缩引火仪说明书中的使用方法：取绿豆大小的普通棉花，置于活塞端部，盖好简盖，用手心按住手柄，用力将活塞快速一压使气缸内空气骤然压缩，
流体机械能转换实验 一、实验目的 熟悉流动流体中各种能量和压头的概念及其互相转换关系，在此基础上掌握柏努利方程。 二、实验原理 1. 流体在流动时具有三种机械能：即①位能，②动能，③压力能。这三种能量可以互相转换。当管路条件改变时（如位置高低，管径大小），它们会自行转换。如果是粘度为零的理想流体，由于不存在机械能损失，因此在同一管路的任何二个截面上，尽管三种机械能彼此不一定相等，但这三种机械能的总和是相等的。 2. 对实际流体来说，则因为存在内摩擦，流动过程中总有一部分机械能因摩擦和碰撞而消失，即转化成了热能。而转化为热能的机械能，在管路中是不能恢复的。对实际流体来说，这部分机械能相当于是被损失掉了，亦即两个截面上的机械能的总和是不相等的，两者的差额就是流体在这两个截面之间因摩擦和碰撞转换成为热的机械能。因此在进行机械能衡算时，就必须将这部分消失的机械能加到下游截面上，其和才等于流体在上游截面上的机械能总和。 3. 上述几种机械能都可以用测压管中的一段液体柱的高度来表示。在流体力学中，把表示各种机械能的流体柱高度称之为“压头”。表示位能的，称为位压头；表示动能的，称为动压头（或速度头）；表示压力的，称为静压头；已消失的机械能，称为损失压头（或摩擦压头）。这里所谓的“压头”系指单位重量的流体所具有的能量。 4. 当测压管上的小孔（即测压孔的中心线）与水流方向垂直时，测压管内液柱高度（从测压孔算起）即为静压头，它反映测压点处液体的压强大小。测压孔处液体的位压头则由测压孔的几何高度决定。 5. 当测压孔由上述方位转为正对水流方向时，测压管内液位将因此上升，所增加的液位高度，即为测压孔处液体的动压头，它反映出该点水流动能的大小。这时测压管内液位总高度则为静压头与动压头之和，我们称之为“总压头”。
化工原理实验 讲义 专业:环境工程 应用化学教研室 2015.3
实验一 流体机械能转化实验 一、实验目的 1、了解流体在管流动情况下，静压能、动能、位能之间相互转化关系，加深对伯努利方程的理解。 2、了解流体在管流动时，流体阻力的表现形式。 二、实验原理 流动的流体具有位能、动能、静压能、它们可以相互转换。对于实际流体， 因为存在摩擦，流动过程中总有一部分机械能因摩擦和碰撞，而被损失掉。所以对于实际流体任意两截面，根据能量守恒有： 2211221222f p v p v z z H g g g g ρρ++=+++ 上式称为伯努利方程。 三、实验装置（d A =14mm ，d B =28mm ，d C =d D =14mm ，Z A -Z D =110mm ） 实验装置与流程示意图如图1-1所示，实验测试导管的结构见图1-2所示： 图1-1 能量转换流程示意图
图1-2实验导管结构图 四、操作步骤 1.在低位槽中加入约3/4体积的蒸馏水，关闭离心泵出口上水阀及实验测试 导管出口流量调节阀和排气阀、排水阀，打开回水阀后启动离心泵。 2.将实验管路的流量调节阀全开，逐步开大离心泵出口上水阀至高位槽溢流 管有液体溢流。 3.流体稳定后读取并记录各点数据。 4.关小流量调节阀重复上述步骤5次。 5.关闭离心泵出口流量调节阀后，关闭离心泵，实验结束。 五、数据记录和处理 表一、转能实验数据表 流量（l/h） 压强mmH2O 压强 mmH2O 压强 mmH2O 压强 mmH2O 压强 mmH2O 压强 mmH2O 测试点标 号 1 2 3 4 5 6 7 8
化工原理实验数据处理
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流体机械能转换的实验数据记录 21h h 、段截面连续性方程验证 31h h 、段压头损失与流速的关系 `流量L/h h1/cm h2/cm h3/cm h4/cm h5/cm h6/cm 0 102.3 102.2 102.4 44.6 44.5 44.7 160 102 101.4 101.7 36.6 35.6 36.4 350 101.3 98.5 100.5 34.9 34.4 34.8 500 100.8 90.9 99.4 33.7 32.7 33.6 700 99.7 87.3 97.2 30.5 29.4 30.4 850 98.1 79.1 94.7 27.8 25.7 27.1 900 98.3 77.1 94.2 26.3 24.9 26.2 1100 96.6 68.1 91.5 23.5 21.2 23.4 序号 流量L/h 流速1(m/s) 流速2(m/s) )/(3211s m d u )/(3222s m d u 1 0 0.0000 0.1400 0.0000 0.2473 2 160 0.0629 0.3487 0.4444 0.6158 3 350 0.1376 0.7535 0.9722 1.3308 4 500 0.1966 1.4068 1.3890 2.4847 5 700 0.2752 1.5831 1.9444 2.7961 6 850 0.3342 1.9585 2.3611 3.4592 7 900 0.3539 2.0689 2.5000 3.6545 8 1100 0.4325 2.4027 3.0556 4.2444 序号 流量L/h 流速1(m/s) h1/cm h3/cm 压头损失/cm 1 0 0.0000 102.3 102.4 -0.1 2 160 0.0629 102 101.7 0.3 3 350 0.1376 101.3 100.5 0.8 4 500 0.1966 100.8 99.4 1.4 5 700 0.2752 99.7 97.2 2.5 6 850 0.3342 98.1 94.7 3.4 7 900 0.3539 98.3 94.2 4.1 8 1100 0.4325 96.6 91.5 5.1
新人教版物理中考总复习 重难点突破 知识点梳理及重点题型巩固练习 总复习：机械能及其转化 【考纲要求】 1、知道动能、势能、重力势能及弹性势能； 2、理解动能及大小的决定因素，重力势能及大小的决定因素，弹性势能及有关的决定因素；机械能守恒； 3、掌握探究动能及大小的决定因素，重力势能及大小的决定因素，弹性势能及有关决定的因素；动能和势能可以相互转化。 【知识网络】 【考点梳理】 考点一、动能、势能、机械能（《力学6：功和能》机械能概述） 1．动能 物体由于运动而具有的能，叫做动能；动能的大小与质量和速度有关。物体的速度越大，质量越大，则它的动能越大。 要点诠释： （1）一切运动的物体都有动能。 （2）动能是“由于运动”这个原因而产生的，一定不要把它理解成“运动的物体具有的能量叫动能”。例如在空中飞行的飞机，不但有动能而且还具有其它形式的能量。 2．重力势能 物体由于高度所决定的能，叫做重力势能；重力势能的大小与质量和高度有关。物体的质量越大，被举得越高，则它的重力势能越大。 要点诠释： （1）一切被举高的物体都有重力势能。 （2）重力势能是“被举高”这个原因而产生的，一定不要把它理解成“被举高的物体具有的能量
叫重力势能”。例如在空中飞行的飞机，不但有重力势能而且还具有其它形式的能量。 3．弹性势能 物体由于发生弹性形变而具有的能量，叫做弹性势能；弹性势能的大小与弹性形变的程度有关。 要点诠释： （1）一切发生弹性形变的物体都有弹性势能。 （2）弹性势能是“由于发生弹性形变”这个原因而产生的，一定不要把它理解成“发生弹性形变的物体具有的能量叫弹性势能”。 4．机械能 动能、重力势能和弹性势能统称为机械能。 考点二、动能和势能之间的相互转化（《力学6：功和能》动能和势能的转化） 1、在一定的条件下，动能和重力势能之间可以相互转化。如将一块小石块，从低处抛向高处，再从 高处下落的过程中，先是动能转化为重力势能后，后来又是重力势转化为动能。 2、在一定的条件下，动能和弹性势能之间可以相互转化。如跳板跳水运动员，在起跳的过程中，压 跳板是动能转化为弹性势能，跳板将运动员反弹起来是弹性势能转化为动能。 3、机械能守恒。如果一个过程中，只有动能和势能相互转化，机械能的总和就保持不变。这个规律 叫做机械能守恒。 【典型例题】 类型一、基础知识 1、（2016?济宁）弹跳杆运动是一项广受欢迎的运动。其结构如图甲所示．图乙是小希玩弹跳杆时由最低位置上升到最高位置的过程，针对此过裎。下列分析正确的是（） A．在a状态时弹簧的弹性势能最大，小希的机械能为零 B．a→b的过程中，弹簧的弹力越来越大，在b状态时弹力最大 C．b→c的过程中，弹簧的弹性势能转化为小希的重力势能 D．a→c的过程中，小希先加速后减速，在b状态时速度最大 【思路点拨】（1）动能大小的影响因素：质量和速度，质量越大，速度越大，动能越大。（2）重力势能大小的影响因素：质量和高度，质量越大，高度越高，重力势能越大。（3）弹簧由于发生弹性形变而具有的能称为弹性势能，弹性势能的大小与物体发生弹性形变的程度有关。（4）机械能=动能+势能。 【答案】D 【解析】A、据图可知，a状态时弹簧的弹性势能最大，由于机械能等于动能加势能，所以机械能不是零，故A错误；B、a→b的过程中，弹簧的形变程度变小，所以具有的弹性势能变小，即到达b点时，弹簧恢复原状，所以弹性势能变为最小，故B错误；C、a→b的过程中，弹簧的形变程度变小，即弹性势能转化为动能，即到达b点动能最大，b→c的过程中，动能转化为小希的重力势能，故C错误；D、据上面的分析可知，a→b的过程中，弹簧的形变程度变小，即弹性势能转化为动能，即到达b点动能最大，b→c的过程中，动能转化为小希的重力势能，所以该过程中，小希先加速后减速，在b状态时速度最大，故D
流体流动过程机械能的转换 一、实验目的 1、了解流体在管道中流动情况下，静压能、动能和位能之间相互转换的关系，加深对伯努利方程的理解。 2、了解流体在管道中流动时，流体阻力的表现形式。 二、实验内容 观察流体流动过程中，随着测试管路结构、水平位置及流量的变化，流体的势能和动能之间的转换变化情况，并找出其规律，以验证伯努利方程。 三、实验原理 工业生产中，流体的输送多在密闭的管道中进行，因此研究流体在管内的流动是化学工程中一个重要课题。任何运动的流体，仍然遵守质量守恒定律和能量守恒定律，这是研究流体力学性质的基本出发点。 1.连续性方程 对于流体在管内稳定流动时的质量守恒形式表现为如下的连续性方程： ????=2 2 11vdA dA v ρρ （2－1） 根据平流速的定义，有 222111A u A u ρρ= （2－2） 即 21m m = （2－3） 而对均质、不可压缩流体，常数==21ρρ，则式（1－2）变为 2211A u A u = （2－4） 可见，对均质、不可压缩流体，平均流速与流通截面积成反比，即面积越大，流速越小；反之，面积越小，流速越大。 对圆管，4/2d A π=，d 为直径，于是式（1－4）可转化为 2 22211d u d u = （2－5） 2.机械能衡算方程 运动的流体除了遵循质量守恒定律以外，还应满足能量守恒定律，依此，在工程上可进一步得到十分重要的机械能衡算方程。
对于均质、不可压缩流体，在管路内稳定流动时，其机械能衡算方程（以单位质量流体为基准）可表示为: f e h g g u z h g g u z +++=+++ρρ22221211p 2p 2 （2－6） 显然，上式中各项均具有高度的量纲，z 称为位头，g u 2/2称为动压头（速度头），g ρ/p 称为静压头（压力头），e h 称为外加压头，f h 称为压头损失。 关于上述机械能衡算方程的讨论： （1）理想流体的柏努利方程 无黏性的即没有黏性摩擦损失的流体称为理想流体，就是说，理想流体的0=f h ，若此时又无外加功加入，则机械能衡算方程变为： g g u z g g u z ρρ22221211p 2p 2++=++ （2－7） 式（1－7）为理想流体的柏努利方程。该式表明，理想流体在流动过程中，总机械能保持不变。 （2）若流体静止，则0=u ，0=e h ，0=f h ，于是机械能衡算方程变 g z g z ρρ2211p p +=+ （2－8） 式（1－8）即为流体静力学方程，可见流体静止状态是流体流动的一种特殊形式。 四、实验装置及流程 该装置为有机玻璃材料制作的管路系统，通过泵使流体循环流动。管路内径为30mm ，节流件变截面处管内径为15mm 。单管压力计h 1和h 2可用于验证变截面连续性方程，单管压力计h 1和h 3可用于比较流体经节流件后的能头损失，单管压力计h 3和h 4可用于比较流体经弯头和流量计后的能头损失及位能变化情况，单管压力计h 4和h 5可用于验证直管段雷诺数与流体阻力系数关系 ，单管压力计h 6与h 5配合使用，用于测定单管压力计h 5处的中心点速度。 五、实验操作
[中学]雷诺实验及流体流动过程机械能的转换实验预习报 告 雷诺实验 一、实验目的 1、了解管内流体质点的运动方式，认识不同流动形态的特点，掌握判别流型的准则。 2、观察圆筒直管内流体作层流、过渡流、湍流的流动形态。 二、实验原理 流体流动有两种不同形态，即层流(滞流)和湍流(紊流)，流体作层流流动时，其质点作平行于管轴的直线运动，湍流时流体质点在沿管轴流动时同时还作着杂乱无章的随机运动。雷诺准数是判断流动型态的准数。若流体在圆管内流动，则雷诺准数可用下式表示: 雷诺数:Re,d uρ/μ 式中:d,管子内径，m u,流体在管内的平均流速，m/s 3 ρ,流体密度，kg/m μ,流体粘度，kg/(m?s) 实验证明，流体在直管内流动时，当Re?2000时属层流;Re?4000时属湍流;当Re在两者之间时，可能为层流，也可能为湍流。 流体于某一温度下在某一管径的圆管内流动时，Re值只与流速有关。本实验中，水在一定管径的水平或垂直管内流动，若改变流速，即可观察到流体的流动型态及其变化情况，并可确定层流与湍流的临界雷诺数值。 三、实验流程
实验前，先将水充满低位储水槽，关闭流量计后的调节阀，然后启动循环水泵。待水充满稳压溢流水槽后，开启流量计的调节阀。水由稳压溢流水槽流经缓冲池、实验导管和流量计，最后流回低位贮水槽。水流量的大小，可由流量计和调节阀调节。 示踪剂采用红色墨水，它由红墨水贮槽经连接管和细孔喷嘴，注入实验导管。细孔玻璃注射管位于实验导管入口的轴线部位。四、演示操作 1、层流流动形态 实验时，先少许开启调节阀，将流速调至所需要的值。再调解红墨水贮瓶的下口旋塞，并做精细调节，使红墨水的注入流速与实验导管中主体流体的流速相适应，一般略低于主体流体的流速为宜。待流速稳定后，记录主体流体的流量。此时，在实验导管的轴线上，就可观察到一条平直的红色细流，好像一根拉直的红线一样。 2、湍流流动型态 缓慢的加大调节阀的开度，使水流量平稳地增大，玻璃导管内的流速也随之平稳的增大。此时可观察到，玻璃导管轴线上呈直线流动的红色细流开始发生波动。随着流速的增大，红色细流的波动程度也随之增大，最后断裂成一段段的红色细流。当流速继续增大时，红墨水进入实验导管后立即呈烟雾状分散在整个导管内，进而迅速与主体主流混为一体，使整个管内流体染为红色，以致无法辨别红墨水的流线。 五、注意事项 作层流流动时，为了使层流状况能较快地形成，而且能够保持稳定。第一，水槽的溢流应尽可能的小。因为溢流较大时，上水的流量也大，上水和溢流两者造层的震动都比较大，影响实验结果。第二，应尽量不要人为地使实验装置产生任何震动。
1.2 流体动力学 本节重点：连续性方程与柏努利方程。 难点：柏努利方程应用：正确选取截面及基准面，解决流体流动问题。 1.2.1 流体的流量与流速 1．流量 体积流量 单位时间内流经管道任意截面的流体体积，称为体积流量，以V S 表示，单位为m 3/s 或m 3/h 。 质量流量 单位时间内流经管道任意截面的流体质量，称为质量流量，以m S 表示，单位为kg/s 或kg/h 。 体积流量与质量流量的关系为 ρs s V m = （1-15） 2．流速 平均流速 流速是指单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。实验发现，流体质点在管道截面上各点的流速并不一致，而是形成某种分布。在工程计算中，为简便起见，常常希望用平均流速表征流体在该截面的流速。定义平均流速为流体的体积流量与管道截面积之比，即 A V u s = (1-16) 单位为m/ s 。习惯上，平均流速简称为流速。 质量流速 单位时间内流经管道单位截面积的流体质量，称为质量流速，以G 表示，单位为kg/（m 2·s ）。 质量流速与流速的关系为 ρρ u A V A m G s s === （1-17） 流量与流速的关系为 GA uA V m s s ===ρρ (1-18) 3.管径的估算
一般化工管道为圆形，若以d 表示管道的内径，则式（1-16）可写成 2 4 d V u s π = 则 u V d s π4= (1-19) 式中，流量一般由生产任务决定，选定流速u 后可用上式估算出管径，再圆整到标准规格。 适宜流速的选择应根据经济核算确定，通常可选用经验数据。通常水及低粘度液体的流速为1～3m/s ，一般常压气体流速为10饱和蒸汽流速为20～40 m/s 等。一般，密度大或粘度大的流体，流速取小一些；对于含有固体杂质的流体，流速宜取得大一些，以避免固体杂质沉积在管道中。 例 某厂要求安装一根输水量为30m 3/h 的管道，试选择一合适的管子。 解：取水在管内的流速为1.8m/s ，由式（1-19）得 mm 77m 077.08 .114.33600 /3044==??== u V d s π 查附录低压流体输送用焊接钢管规格，选用公称直径Dg80（英制3″）的管子，或表示为φ88.5×4mm ，该管子外径为88.5mm ，壁厚为4mm ，则内径为 mm 5.80425.88=?-=d 水在管中的实际流速为 m/s 63.10805.0785.03600 /304 2 2 =?= = d V u S 在适宜流速范围内，所以该管子合适。 1.2.2 定态流动与非定态流动 流体流动系统中，若各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化，而不随时间变化，这种流动称之为定态流动；若流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化，则称为非定态流动。 如图1-11所示，（a ）装置液位恒定，因而流速不随时间变化，为定态流动；（b ）装置流动过程中液位不断下降，流速随时间而递减，为非定态流动。
第二章 汽轮机级内能量转换过程 第一节 汽轮机级的基本概念 一 汽 轮 机 的 级 、级内能量转换过程 1，汽轮机的级：是由一组安装在喷嘴汽室或隔板上的静叶栅和一组安装在叶轮上的动叶栅所组成，它是汽轮机作功的最小单元。 2，级内能量转换过程：具有一定压力、温度的蒸汽通过汽轮机的级时，首先在静叶栅通道中得到膨胀加速，将蒸汽的热能转化为高速汽流的动能，然后进入动叶通道，在其中改变方向或者既改变方向同时又膨胀加速，推动叶轮旋转，将高速汽流的动能转变为旋转机械能。 华中科技大学 能源与动力工程学院 3，冲动级：当汽流通过动叶通道时，由于受到动叶通道形状的限制而弯曲被迫改变方向，因而产生离 汽轮机低压转子（含动叶栅） 0* 0' 1 s h 2 p2 p1 p0* p0 Δht* Δhn* Δh’b Δhb
4，反动级：当汽流通过动叶通道时，一方面要改变方向，同时还要膨胀加速，前者会对叶片产生一个冲动力，后 者会对叶片产生一个反作用力，即反动力。蒸汽通过这种级，两种力同时作功。 蒸汽对动叶栅的作用力 二 反 动 度（在第6页补上字母） 为了描述蒸汽通过汽轮机某一级时在动叶通道中的膨胀程度大小，通常用反动度 来描述。反动度 等于蒸汽在动叶通道中膨胀时的焓降 和在整个级的理想焓降 之比，即 (1 - 1) 称为级的平均反动度，即平均直径上 的反动度。蒸汽通过级的热力过程曲线用 图1-3表示。其中， 、 、 分别为喷嘴 前、动叶前、后的蒸汽压力， 为喷嘴前 的滞止压力。 、 和 分别为级的滞 止焓降、喷嘴的滞止焓降、动叶的焓降。 三 冲 动 级 和 反 动 级在第7页补上字母 （一） 冲 动 级 的 三 种 不 同 形 式 1，纯冲动级 说， = 、 = 0 、 = ，蒸汽流出动叶的速度C 具有一定的动能，由于未被利用而损失，称为余速损失，用 表示。 2 ，带反动度的冲动级 = 0.05 0.20 ) ，称为带反动度 的冲动级，它具有作功能力大、效率高的特点。 b n b t b m h h h h h ?+??≈??=Ω* ***)1(t m n h h ?Ω-=?*t m b h h ?Ω=? 0* 0' 1 s h 2 p2 p1 p0* p0 Δht* Δhn* Δh’b Δhb
§12.１机械能势能(2) 执笔人：谢志成学校：冷遹中学 教学目标： １．知识与技能： （1）了解能量的初步概念。 （2）知道什么是动能及影响动能大小的因素。 （3）知道什么是势能及影响势能大小的因素。 （4）知道机械能和机械能是可以相互转换的。 2．方法与过程： （1）通过观察和分析，知道机械能和势能的相互转换 （3）体验用类比方法，加深对物理概念理解的过程，学会迁移学习。 3．情感、态度、价值观： （1）有应用科学原理解决实际问题的意识和积极性。 （2）通过探究，体验探究的过程，激发主动学习的兴趣。 （3）学会自己查找资料，培养自学的能力。 教学过程 1．复习提问 手持粉笔头高高举起。以此事例提问：被举高的粉笔具不具有能量？为什么？2．引入新课 学生回答提问后，再引导学生分析粉笔头下落的过程。首先提出当粉笔头下落路过某—点时，粉笔头具有什么能量？(此时既有重力势能，又有动能)继而让学生比较在该位置和起始位置，粉笔头的重力势能和动能各有什么变化？(重力势能减少，动能增加) 3．进行新课 在粉笔头下落的过程，重力势能和动能都有变化，自然界 中动能和势能变化的事例很多，下面我们共同观察滚摆的运动， 并思考动能和势能的变化。 实验1：滚摆实验 出示滚摆，并简单介绍滚摆的构造及实验的做法。事先应 在摆轮的侧面某处涂上鲜明的颜色标志，告诉学生观察颜色标 志，可以判断摆轮转动的快慢。引导学生复述并分析实验中观 察到的现象。开始释放摆轮时，摆轮在最高点静止，此时摆轮 只有重力势能，没有动能。摆轮下降时其高度降低，重力势能 减少；摆轮旋转着下降，而且越，转越快，其动能越来越大。 摆轮到最低点时，转动最快，动能最大，其高度最低，重力势 能最小。在摆轮下降的过程中，其重力势能逐渐转化为动能。
机械能转化演示实验 一、实验目的 1.观测动、静、位压头随管径、位置、流量的变化情况，验证连续性方程和柏努利方程。 2.定量考察流体流经收缩、扩大管段时，流体流速与管径关系。 3.定量考察流体流经直管段时，流体阻力与流量关系。 4.定性观察流体流经节流件、弯头的压损情况。 二、基本原理 化工生产中，流体的输送多在密闭的管道中进行，因此研究流体在管内的流动是化学工程中一个 重要课题。任何运动的流体，仍然遵守质量守恒定律和能量守恒定律，这是研究流体力学性质的基本 出发点。 1.连续性方程 对于流体在管内稳定流动时的质量守恒形式表现为如下的连续性方程： ????=2211vdA dA v ρρ （1－1） 根据平均流速的定义，有 222111A u A u ρρ= （1－2） 即 21m m = （1－3） 而对均质、不可压缩流体，常数==21ρρ，则式（1－2）变为 2211A u A u = （1－4） 可见，对均质、不可压缩流体，平均流速与流通截面积成反比，即面积越大，流速越小；反之， 面积越小，流速越大。 对圆管，4/2 d A π=，d 为直径，于是式（1－4）可转化为 2 22211d u d u = （1－5） 2.机械能衡算方程 运动的流体除了遵循质量守恒定律以外，还应满足能量守恒定律，依此，在工程上可进一步得到
十分重要的机械能衡算方程。 对于均质、不可压缩流体，在管路内稳定流动时，其机械能衡算方程（以单位质量流体为基准） 为： f e h g g u z h g g u z +++=+++ρρ22 221211p 2p 2 （1－6） 显然，上式中各项均具有高度的量纲，z 称为位头，g u 2/2称为动压头（速度头），g ρ/p 称为 静压头（压力头），e h 称为外加压头，f h 称为压头损失。 关于上述机械能衡算方程的讨论： （1）理想流体的柏努利方程 无黏性的即没有黏性摩擦损失的流体称为理想流体，就是说，理想流体的0=f h ，若此时又无外 加功加入，则机械能衡算方程变为： g g u z g g u z ρρ22 221211p 2p 2++=++ （1－7） 式（1－7）为理想流体的柏努利方程。该式表明，理想流体在流动过程中，总机械能保持不变。 （2）若流体静止，则0=u ，0=e h ，0=f h ，于是机械能衡算方程变为 g z g z ρρ2211p p +=+ （1－8） 式（1－8）即为流体静力学方程，可见流体静止状态是流体流动的一种特殊形式。 3.管内流动分析 按照流体流动时的流速以及其它与流动有关的物理量（例如压力、密度）是否随时间而变化，可 将流体的流动分成两类：稳定流动和不稳定流动。连续生产过程中的流体流动，多可视为稳定流动， 在开工或停工阶段，则属于不稳定流动。 流体流动有两种不同型态，即层流和湍流，这一现象最早是由雷诺（Reynolds ）于1883年首先发 现的。流体作层流流动时，其流体质点作平行于管轴的直线运动，且在径向无脉动；流体作湍流流动 时，其流体质点除沿管轴方向作向前运动外，还在径向作脉动，从而在宏观上显示出紊乱地向各个方 向作不规则的运动。 流体流动型态可用雷诺准数（Re ）来判断，这是一个无因次数群，故其值不会因采用不同的单位 制而不同。但应当注意，数群中各物理量必须采用同一单位制。若流体在圆管内流动，则雷诺准数可
第4节机械能及其转化 1．动能和势能统称为机械能．物体只具有动能，或只具有势能，或同时具有动能和势能，我们都说物体具有机械能． 2．分析动能和势能相互转化的方法： 先运用动能和势能的影响因素分析得出物体所具有的动能和势能的大小变化情况，那么能的转化情况就是变小的那种形式的能转化成变大的那种形式的能． 3．机械能守恒的条件是：只有动能和势能的相互转化，而没有机械能转化为其他形式的能，也没有其他形式的能转化为机械能． 机械能守恒是一个理想化的定律． (1)在动能和势能相互转化的过程中，由于不可避免地要克服阻力对外做功，消耗一部分自身的机械能，所以机械能总量会变小． (2)在理想情况下(忽略对外所做的功)，可以认为在动能和势能相互转化过程中，机械能的总量保持不变． (3)从空中自由下落的物体，如果忽略空气阻力，其机械能是守恒的；沿光滑水平面或光滑斜面自由运动的物体，其机械能也是守恒的． 01 课前预习 知识点1机械能及其转化 1．______能、________能和________能统称为机械能，机械能的单位是________，用字母______表示．2．动能和势能之间______(填“可以”或“不可以”)相互转化． 知识点2机械能守恒 3．如果只有动能和势能的相互转化，机械能的总和______． 4．如图是人造地球卫星的轨道示意图，人造地球卫星在大气层外环绕地球运行的过程中，它在近地点的动能________(填“大于”“小于”或“等于”)它在远地点的动能；它从近地点向远地点运行的过程中，机械能的变化情况是________(填“变大”“变小”或“不变”)的． 02 当堂训练 1．(巴中中考)如图所示，一物体在拉力F的作用下沿斜面向上匀速运动，在向上运动的过程中，下列说法正确的是( ) A．物体的动能不变，机械能不变 B．物体的重力势能增大，机械能增大 C．物体的重力势能转化为动能 D．物体的动能转化为重力势能 2．(厦门中考)厦门作为全国18个足球重点城市之一，校园足球活动开展得如火如荼．比赛时守门员把球大脚开过半场，足球飞行过程中( ) A．重力势能先变大后变小 B．动能先变大后变小 C．机械能先变大后变小 D．最高点处动能为零
能量转化演示仪器 —---一团火苗的奇妙旅程 第一部分使用目标： 一、实验演示内能转化为机械能，机械能转化为电能，电能转化为光能，使学生直观了解能量的转化方式。 二、实验基本展示了苏科版物理教材能量转化的各个章节，使他们有机的整合一起，更加容易直观的展示教材编写者的意图。 三、实验形象的展示了《机械能和内能》第四节的热机，使学生直观的了解热机是怎么样将内能转化为机械能。 四、热机形象的展示了连杆和曲轴怎么样将活塞运动转化为圆周运动，从而带动其他机械转动，使学生更好的理解汽油机和柴油机。 五、热机带动小型发电机工作，小型发电机发出2V电压，使LED二极管发光，效果明显。 第二部分制作： 一、制作斯特林发动机（内能转化为机械能）： 1、原理：斯特林发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。这是一种外燃发动机，使燃料连续地燃烧，蒸发的膨胀气体作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进行这样的循环过程 2、材料： （1）气缸部分：酒精灯、大试管（需砂轮切割成100*30)、小试管（需砂轮切割成25*50）、金属杆两根（一长一短）、橡皮塞2个（直径30，直接25）、玻璃针筒一只、橡皮软管、
（2）传动部分：连杆（用铁皮制作）、曲轴、轴承（可用报废微型电机）、金属杆 （3）其他配件：金属铆钉，长螺丝等 3、制作方法： （1）气缸部分： ○1制作配气活塞：将小试管裁剪成 50*25，用小橡皮塞将试管口封住，用 金属杆连接大橡皮塞。在大活塞上装 上排气口。 ○2配气气缸：将大玻璃试管裁剪成30*100，然后将配气活塞装入，打胶封死。 ○3动力气缸：将针筒和活塞分别裁剪成5cm和3cm长，把针筒用橡皮塞打胶封死，装上进气孔。 ○4用比较厚的橡皮管将排气孔和进气口连接。 （2）传动部分： ○1连杆制作：用马口铁皮制作（取自白酒包装）， 由于铁皮不坚固，用剪刀剪双层，用502胶水粘 连，然后用小电钻打孔。 ○2曲轴制作：到五金市场找工人制作两铝轮。
流体机械能转换的实验数据记录 21h h 、段截面连续性方程验证 31h h 、段压头损失与流速的关系 `流量L/h h1/cm h2/cm h3/cm h4/cm h5/cm h6/cm 0 102.3 102.2 102.4 44.6 44.5 44.7 160 102 101.4 101.7 36.6 35.6 36.4 350 101.3 98.5 100.5 34.9 34.4 34.8 500 100.8 90.9 99.4 33.7 32.7 33.6 700 99.7 87.3 97.2 30.5 29.4 30.4 850 98.1 79.1 94.7 27.8 25.7 27.1 900 98.3 77.1 94.2 26.3 24.9 26.2 1100 96.6 68.1 91.5 23.5 21.2 23.4 序号 流量L/h 流速1(m/s) 流速2(m/s) )/(3211s m d u )/(3222s m d u 1 0 0.0000 0.1400 0.0000 0.2473 2 160 0.0629 0.3487 0.4444 0.6158 3 350 0.1376 0.7535 0.9722 1.3308 4 500 0.1966 1.4068 1.3890 2.4847 5 700 0.2752 1.5831 1.9444 2.7961 6 850 0.3342 1.9585 2.3611 3.4592 7 900 0.3539 2.0689 2.5000 3.6545 8 1100 0.4325 2.4027 3.0556 4.2444 序号 流量L/h 流速1(m/s) h1/cm h3/cm 压头损失/cm 1 0 0.0000 102.3 102.4 -0.1 2 160 0.0629 102 101.7 0.3 3 350 0.1376 101.3 100.5 0.8 4 500 0.1966 100.8 99.4 1.4 5 700 0.2752 99.7 97.2 2.5 6 850 0.3342 98.1 94.7 3.4 7 900 0.3539 98.3 94.2 4.1 8 1100 0.4325 96.6 91.5 5.1
§3、流体稳定流动时的能量衡算 本节共 页 一、柏努利方程式的建立 流体流动的必要条件是系统两端有：压强差或位差。流体流动的过程实质上是能量转化过程。流体作稳定流动时，有四种能量可能发生变化。即 位能 动能 机械能 静压能 内能 能量之间是可以互相转化的，内能与机械能之间也是如此。例如，因为流体具有粘性，流动时因摩擦、碰撞，因而有一部分机械能转化为热能，使流体温度升高，变为流体的内能，这种过程只有流体流动时才较明显。 为了使问题简化，我们首先建立理想液体的柏式。 绝对不可压缩（比容v 不随压强P 而变） 理性液体的特点 完全没有粘性（无内摩擦力，即没有机械能向内 能的转化，即T 不变） 流动时无阻力。 因此，理想流体流动时，只有机械能之间的转化，而无内能的增减。 11 2 2 p 1p 2A 1O O v 1v 2 H 1 H 2
对上图稳定流动系统进行能量衡算： 衡算范围：1—1’，2—2’截面之间 衡算基准面：0—0’水平面 对于稳定流动，每m kg 流体经截面1—1’进入系统内，必有m kg 流体经截面2—2’离开这个系统。∴，以m kg 流体作为衡算的基准。 1、位能 流体受重力的作用，在不同的高度具有不同的位能。它是个相对值。 位能= mgH 单位：mgH= kg ×m/s 2×m = Nm =J ∴，mgH 流体在截面1—1’ ，2—2’所具有的位能分别为：mgH 1 , mgH 2 2、动能 流体流动时所具有的能量。 动能=221mv 这一能量相当于将mkg 流体从速度为零加速到速度为v 所做的功。 单位：22 1mv = kg ×m 2/s 2= Nm = J mkg 流体在截面1—1’，2—2’处所具有的动能分别为：221v m ，222v m 3、静压能（流动功） 在静止或流动的流体内部任一处都有一定的静压强。 如在内部有液体流动的管壁上开一孔，装一垂直玻璃管，液体便
八年级物理下册第十一章第四节机械能及其转化教案（新版）新 人教版 ●教学目标： 1．知识与技能 （1）知道机械能包括动能和势能。能用实例理解动能和势能的相互转化。 （2）能解释一些有关动能、重力势能、弹性势能之间相互转化的简单现象。 （3）初步了解机械能守恒的含义。 2．过程与方法 通过观察和实验，认识动能和势能的转化过程。 3．情感、态度与价值观 （1）关心机械能与人们生活的联系，有将机械能应用于生活的意识。 （2）培养学生具有爱国意识。 ●教具： 滚摆、铁锁、细绳、溜溜球、铁架台、钢球、细线、带弹簧的斜面。 ●教学过程： 引入新课: 一、我们在初二的时候就已经学习过关于能量的转化，请回答，电灯工作的时候，能量是怎么转化的？风力发电机工作的时候，能量是怎么转化的？水利发动机工作的时候，能量是怎么转化的？电动机工作的时候，能量是怎么转化的？ 学生讨论回答 二、情景：操作乒乓球，吸引学生注意力并切入主题 动手动脑搞探究： 1．老师提问：为什么乒乓球在松手后能够不停的上下运动呢?这需要学生自己探究：实验1：滚摆实验：出示滚摆，并简单介绍滚摆的构造及实验的做法。事先应在摆轮的侧面某处涂上鲜明的颜色标志，告诉学生观察颜色标志，可以判断摆轮转动的快慢。 2．学生实验 先将滚摆置于最高点，然后释放摆轮。分析：摆轮在最高点静止，此时摆轮只有重力势能，没有动能。摆轮下降时其高度降低，重力势能减少；摆轮旋转着下降；而且越转越快，其动能越来越大。摆轮到最低点时，转动最快，动能最大；其高度最低，重力势能最小。在摆轮下降的过程中，其重力势能逐渐转化为动能。 仿照摆轮下降过程的分析，得出摆轮上升过程中，摆轮的动能逐渐转化为重力势能。 三、加强巩固 1．单摆实验：说明动能和重力势能是可以相互转化的。 2．蹦蹦床分析：弹性势能和动能的相互转化。得出：动能和弹性势能也是可以相互转化的。自然界中动能和势能相互转化的事例很多。首先分析课本图15.5—2,加深学生对动能、势能转化的认识，再请学生列举生活中动，势能转化的实例，老师和学生共同分析。如下坡时自行车运动得越来越快、打夯等。 概括结论：动能和势能可以相互转化 四、引出机械能的定义：动能和势能之和 五、拓展知识 1．学生分组做教材中的“想想做做”，请学生分析现象产生的原因，分析这其中是否有其他能量的转化。
【2019最新】中考物理专题训练机械能及其转化 1．如图7－2－7所示，先用绳子把一个铁锁悬挂起来，然后把铁锁拿近自己的鼻子，稳定后松手，头不动，铁锁向前摆去后又摆回来．下列说法正确的是( ) 图7－2－7 A．铁锁摆回后能碰到鼻子 B．铁锁下降的过程中，重力势能转化为动能 C．铁锁的机械能始终不变 D．铁锁摆动到最低点时，动能最小2．“神舟”八号飞船在发射时，高度增大，速度增加，在这个过程中( ) A．动能增加，势能减小，机械能不变 B．动能不变，势能增加，机械能增加 C．动能增加，势能增加，机械能增加 D．动能增加，势能增加，机械能不变3．许多同学都看过杂技演员表演的“水流星”，一根细绳系着盛水的杯子，演员抡起绳子，杯子就做圆周运动．不管水杯转到哪个位置，水都不会从杯子里洒出来．如图7－2－8所示的是一杂技演员正在竖直平面内表演“水流星”，杯子在竖直面内转动的速度大小不 变，下列关于其中的一个水杯的说法，正确的是( ) 图7－2－8 A．动能不断变化 B．重力势能保持不变 C．机械能在不断改变 D．运动状态没有发生变化4．如图7－2－9所示，杂技表演者在离开弹跳板后的上升过程中，她的( ) 图7－2－9 A．重力势能增大，动能减小 B．重力势能增大，动能增大 C．重力势能减小，动能减小 D．重力势能减小，动能增大 5．下列实例中，属于机械能转化为内能的是( ) A．内燃机的活塞在燃气的推动下运动 B．点燃的火箭飞向太空 C．夏天，广场上的石凳被晒得发烫 D．陨石坠入地球大气层成为流星6．(2014年梅州)如图7－2－10所示，一个小球由静止从光滑曲面的顶端自由滑下，若 它在顶端的重力势能为65J，则小球滑到底端的动能是( ) 图7－2－10 A．35JB．50J C．55JD．65J 7．发生强烈地的地震后，运送救灾物资的飞机对灾区投放物品，物品在空中匀速下落的 过程中，其动能和重力势能的变化情况是( ) A．动能增加，重力势能增加B．动能减少，重力势能减少