液体表面流体力学大学物理

第3章 液体的表面性质3.1 内容提要（一）基本概念1. 表面张力：液体的表面犹如张紧的弹性薄膜，具有收缩的趋势，即液体表面存在着张力，称为表面张力。

它是液体表面层内分子力作用的结果。

2.表面张力系数：用于反映液体表面性质的物理量，三种定义如下：（1）表面张力系数表示在单位长度直线两旁液面的相互拉力。

由L f α=得 Lf =α （3.1） 在国际单位制中，α的单位用N ·m -1表示。

（2）表面张力系数α等于增加单位表面积时，外力所做的功。

由△A=α·△S 得SA ∆∆=α （3.2） （3）表面张力系数α在数值等于增大液体单位表面积所增加的表面能,由△E ＝△A ＝α△S 得 SE ∆∆=α （3.3） 严格说来，表面能是在温度不变的条件下可转变为机械能的那部分表面能。

3.影响表面张力系数的几个因素(1) 不同液体的表面张力系数不同，它与液体的成分有关，取决于液体分子的性质。

(2) 同一种液体的表面张力系数与温度有关。

温度越高，α就越小。

(3) 液体表面张力系数的大小还与相邻物质的化学性质有关。

(4) 液体表面张力系数还与液体中的杂质有关。

加入杂质能显著改变液体的表面张力系数。

4.表面张力的微观本质微观理论认为，液体的表面张力是由于液体表面层分子之间相互作用力的不对称性引起的。

所谓液体的表面层是指位于液体表面处，与表面平行、厚度等于液体分子有效作用半径(一般不超过6×10-7cm)的那层液体。

从能量的角度出发，分子处于液体表面层时，分子的相互作用热能要比处于液体内部的分子的相互作用热能大，而且越靠近液面，分子的相互作用热能就越大。

而液体处于稳定平衡时，分子的相互作用热能最小，因此，液体表面层中的分子都有挤进液体内部的趋势，结果液体的表面就会尽量地收缩。

从力的观点来看，就是在液体表面内存在一种使其收缩的力，这种力就称为表面张力。

所谓表面张力，无论从力或是从能量的角度来解释，都是表面层内分子相互作用的不对称性所引起的。

题1-3图第一章 流体力学1.概念（3）理想流体：完全不可压缩又无黏性的流体。

（4）连续性原理：理想流体在管道中定常流动时，根据质量守恒定律，流体在管道内既不能增 多，也不能减少，因此单位时间内流入管道的质量应恒等于流出管道的质量。

（6）伯努利方程：C gh v P =++ρρ221（7）泊肃叶公式：LPR Q ηπ84∆=2、从水龙头徐徐流出的水流，下落时逐渐变细，其原因是（ A ）。

A. 压强不变，速度变大； B. 压强不变，速度变小；C. 压强变小，流速变大；D. 压强变大，速度变大。

3、 如图所示，土壤中的悬着水，其上下两个液面都与大气相同，如果两个页面的曲率半径分别为R A 和R B (R A <R B )，水的表面张力系数为α，密度为ρ，则悬着水的高度h 为___)11(2BA R R g -ρα__。

(解题：BB A A A B R P P R P P gh P P ααρ2,2,00-=-==-) 4、已知动物的某根动脉的半径为R, 血管中通过的血液流量为Q ， 单位长度血管两端的压强差为ΔP ，则在单位长度的血管中维持上述流量需要的功率为____ΔPQ ___。

5、城市自来水管网的供水方式为：自来水从主管道到片区支管道再到居民家的进户管道。

一般说来，进户管道的总横截面积大于片区支管的总横截面积，主水管道的横截面积最小。

不考虑各类管道的海拔高差（即假设所有管道处于同水平面），假设所有管道均有水流，则主水管道中的水流速度 大 ，进户管道中的水流速度 小 。

10、如图所示，虹吸管的粗细均匀，略去水的粘滞性，求水流速度及A 、B 、C 三处的压强。

221.2 理想流体的定常流动'2gh v C =∴222121'CC D D v P v gh P ρρρ+=++0,0≈==D C D v P P P 练习5：如图，虹吸管粗细均匀，略去水的粘滞性，求管中水流流速及A 、B 、C 三处的压强。

课时安排：2课时教学目标：1. 了解流体力学的基本概念和研究对象。

2. 掌握流体力学的基本原理，包括连续性原理、伯努利方程等。

3. 理解流体力学在实际工程中的应用，如流体输送、风力发电等。

教学重点：1. 流体力学的基本概念和研究对象。

2. 连续性原理、伯努利方程等基本原理。

3. 流体力学在实际工程中的应用。

教学难点：1. 连续性原理、伯努利方程等基本原理的理解和运用。

2. 流体力学在实际工程中的应用分析。

教学准备：1. 教学课件：流体力学基本概念、连续性原理、伯努利方程等。

2. 教学视频：流体力学在实际工程中的应用案例。

3. 实验器材：流体力学实验装置。

教学过程：一、导入1. 提问：什么是流体？流体有哪些特性？2. 引入流体力学的研究对象和内容。

二、基本概念1. 流体：由许多彼此能够相对运动的流体元物质微团所组成的连续介质，具有流动性，常被称为流体。

2. 流体元：微团或流体质量元，它是由大量分子组成的集合体。

3. 理想流体：指绝对不可压缩、完全没有黏滞性的流体。

4. 定常流动：指流体的流动状态不随时间发生变化的流动。

三、基本原理1. 连续性原理：理想流体在同一细流管内，任意两个垂直于该流管的截面流速与密度之积相等。

2. 伯努利方程：在稳定流动的不可压缩流体中，流速越快的地方，压力越低。

四、应用分析1. 流体输送：如水泵、管道输送等。

2. 风力发电：如风力发电机、风力提水等。

五、实验演示1. 流体力学实验装置演示，如流体压力、流速测量等。

六、课堂小结1. 总结流体力学的基本概念、原理和应用。

2. 强调流体力学在实际工程中的重要性。

七、作业布置1. 阅读教材相关内容，巩固所学知识。

2. 完成课后习题，加深对流体力学原理的理解。

教学反思：通过本节课的教学，使学生掌握了流体力学的基本概念、原理和应用，提高了学生的实际应用能力。

在教学过程中，注重理论与实践相结合，通过实验演示、案例分析等方式，激发学生的学习兴趣，提高学生的综合素质。

大学物理中的流体力学流体的运动与应用流体力学是研究流体在运动中的行为和性质的学科。

在大学物理课程中，流体力学是一个重要的分支，它涵盖了流体的基本概念、流体静力学、流体动力学以及流体在各种应用中的重要性。

本文将探讨大学物理中的流体力学，重点关注流体的运动和在实际应用中的应用。

一、流体的基本概念1. 流体的定义流体是指那些可以流动的物质，包括液体和气体。

与固体不同，流体具有流动性和变形性。

2. 流体的性质流体具有一些独特的性质，如压缩性、流动性、粘滞性和表面张力等，这些性质对流体的运动和应用产生重要影响。

二、流体静力学1. 流体静力学的基本原理流体静力学研究的是流体处于静止状态时的力学行为。

根据帕斯卡定律，任何外界施加在封闭流体上的压力都会均匀地传递到流体内各个部分。

2. 流体静压力流体静压力是指流体由于受到外界压力作用而产生的压力。

流体静压力与深度、密度及重力加速度相关，可以通过压力公式来计算。

三、流体动力学1. 流体的运动描述流体动力学研究的是流体在运动中的行为和特性。

流体可以分为层流和湍流两种形式，层流是指流体分层无交叉流动的情况，湍流则是流体混乱交织的流动状态。

2. 流体的连续性方程流体的连续性方程表明，在稳态流动中，流体质量的流动速率始终保持不变。

通过连续性方程，可以推导得到质量守恒定律。

3. 流体的伯努利方程伯努利方程是描述流体在不同位置之间压强、速度和高度之间关系的方程。

它说明了在理想流体中，速度增加，压强将降低，而高度会对其产生影响。

四、流体力学在实际应用中的应用1. 水压力的应用水压力广泛应用于水泵、压力表和液压机械等领域。

利用水的压力可以实现液体的输送、提供动力以及进行力的放大。

2. 空气动力学的应用空气动力学研究的是气体在空气中的行为和特性。

该领域的应用包括飞机的设计、汽车的空气动力学外形改进以及建筑物的风阻力研究等。

3. 血液循环的研究血液循环是人体内部的液体流动系统，涉及到心脏和血管等器官的运作。

大学物理流体力学基础知识点梳理一、流体的基本概念流体是指能够流动的物质，包括液体和气体。

与固体相比，流体具有易变形、易流动的特点。

流体的主要物理性质包括密度、压强和黏性。

密度是指单位体积流体的质量，用ρ表示。

对于均质流体，密度等于质量除以体积；对于非均质流体，密度是空间位置的函数。

压强是指流体单位面积上所受的压力，通常用 p 表示。

在静止流体中，压强的大小只与深度和流体的密度有关，遵循着著名的帕斯卡定律。

黏性是流体内部抵抗相对运动的一种性质。

黏性的存在使得流体在流动时会产生内摩擦力，阻碍流体的流动。

二、流体静力学流体静力学主要研究静止流体的力学规律。

（一）静止流体中的压强分布在静止的均质流体中，压强随深度呈线性增加，其关系式为 p ＝p₀＋ρgh，其中 p₀为液面处的压强，h 为深度，g 为重力加速度。

（二）浮力定律当物体浸没在流体中时，会受到向上的浮力。

浮力的大小等于物体排开流体的重量，即 F 浮＝ρgV 排，这就是阿基米德原理。

三、流体动力学（一）连续性方程连续性方程是描述流体在流动过程中质量守恒的定律。

对于不可压缩流体，在稳定流动时，通过管道各截面的质量流量相等，即ρv₁A₁＝ρv₂A₂，其中 v 表示流速，A 表示横截面积。

（二）伯努利方程伯努利方程反映了流体在流动过程中能量守恒的关系。

其表达式为p ＋1/2ρv² ＋ρgh ＝常量。

即在同一流线上，压强、动能和势能之和保持不变。

伯努利方程有着广泛的应用。

例如，在喷雾器中，通过减小管径增加流速，从而降低压强，使得液体被吸上来并雾化；在飞机机翼的设计中，利用上下表面流速的差异产生压强差，从而提供升力。

四、黏性流体的流动（一）层流与湍流当流体流速较小时，流体呈现出有规则的层状流动，称为层流；当流速超过一定值时，流体的流动变得紊乱无序，称为湍流。

（二）黏性流体的流动阻力黏性流体在管道中流动时会受到阻力。

阻力的大小与流体的黏度、流速、管道的长度和直径等因素有关。

第4章 流体力学§4.2 理想流体的流动一、连续性方程在一个流管中任意取两个与流管垂直的截面s 1和s 2 (如图4.2).设流体在这两个截面处的速度分别是21υυ和.则在单位时间内流过截面s 1和s 2的体积应分别等于2211υυs s 和.对于作稳定流动的理想流体来说,在同样的时间内流过两截面的流体体积应该是相等的.由此得:22112211υ=υ→∆υ=∆υS S t S t S (4.3)这就是说,不可压缩的流体在管中作稳定流动时,流体流动的速度υ和管的横截面积s 成反比,粗处流速较慢,细处流速较快.式(4.3)称为流体的连续性方程.这一关系对任何垂直于流管的截面都成立.式(4.3)表明:理想流体作稳定流动时,流管的任一截面与该处流速的乘积为一恒量. s υ表示单位时间流过任一截面的流体体积,称为流量.单位为米3／秒.(4.3)式表示"沿一流管,流量守恒".这一关系称为连续性原理.理想流体是不可压缩的,流管内各处的密度是相同的.所以 2211υρ=υρS S (4.4)即单位时间内流过流管中任何截面的流体质量都相同.进入截面s 1的流体质量等于由截面s 2流出的流体质量.所以式(4.4)表示的是流体动力学中的质量守恒定律 .二、伯努利方程伯努利方程式是流体动力学中一个重要的基本规律,用处很广,本质上它是质点组的功能原理在流体流动中的应用.当流体由左向右作稳定流动时,取一细流管,将其中的XY 这一流体块作为我们研究对象如图 4.6(a)所示.设流体在X 处的截面为s 1,压强为P 1,速度为1υ，高度(距参考面)为h 1;在Y处的截面积为s 2,压强为P 2,速度为2υ,高度为h 2.经过很短的一段时间t ∆后,此段流体的位置由XY 移到了 ''Y X ，如图4.6(b)所示,实际情况是截面s 1前进了距离1l ∆,截面s 2前进了2l ∆.在0t →∆的情况下, 01→∆l , 02→∆l .可以认为在这样微小距离内1υ和作用于s 1上的压强P 1是不变的; 2υ和作用于s 2上的压强P 2也是不变的,高度亦为h 1、h 2.同时设想s 1和s 2面积都未变,而且作用于它们上的压强是均匀的.让我们来分析一下在这段时间内各种力对这段流体所作的功以及由此而引起的能量变化.对这段流体做功的一种外力就是段外流体对它的压力,在图上用21F F 和表示,则外力所作的净功应为：V P V P t S P t S P l F l F W 212221112211-=∆υ-∆υ=∆-∆= (4.5)根据功能原理,外力对这段流体系统所作的净功,应等于这段流体机械能的增量.即 P k E E W ∆+∆= (4.6)仔细分析一下流动过程中所发生的变化可知,过程前后X '与Y 之间的流体状态并未出现任何变化.变化仅仅是表现在截面X 与X '之间流体的消失和截面Y 和Y '之间流体的出现.显然,这两部分流体的质量是相等的.以m 表示这一质量,则此段流体的动能和势能的增量分别为1221222121mgh mgh E m m E P k -=∆υ-υ=∆, )()(122122212121mgh mgh m m V P V P -+υ-υ=-于是就有 222212112121mgh m V P mgh m V P +υ+=+υ+即(4.7) 式中V m /=ρ是液体的密度.因为X 和Y 这两个截面是在流管上任意选取的,可见对同一流管的任一截面来说,均有(4.8) 式(4.7)和(4.8)称为伯努利方程式,它说明理想流体在流管中作稳定流动时,每单位体积的动能和重力势能以及该点的压强之和是一常量.伯努利方程在水利、造船、化工、航空等部门有着广泛的应用.在工程上伯努利方程常写成常数=+υ+ρh gg P 22(4.9) 上式左端三项依次称为压力头、速度头、和高度头,三项之和称为总头.于是式(4.9)说明“沿一流线,总头守恒”.很明显,式(4.8)中压强P 与单位体积的动能以及单位体积的重力势能gh ρ的量纲是相同的.从能量的观点出发,有时把称为单位体积的压强能.这样以来,伯努利方程的意义就成为理想流体在流管中作稳定流动时,流管中各点单位体积的压强能、动能与重力势能之和保持不变.具有能量守恒的性质.应用伯努利方程式时应注意以下几点：(1) 取一流线,在适当地方取两个点,在这两个点的V 、h 、P 或为已知或为所求,根据(4.7)式可列出方程.(2) 在许多问题中,伯努利方程式常和连续性方程联合使用,这样便有两个方程式,可解两个未知数.(3) 方程中的压强P 是流动流体中的压强,不是静止流体中的压强,不能用静止流体中的公式求解.除与大气接触处压强近似为大气压外,在一般情况下,P 是未知数,要用伯努利方程去求.(4) 为了能正确使用这个规律,再次强调,应用伯努利方程式时,必须同时满足三个条件：理想流体,稳定流动,同一流线.三、伯努利方程式的应用1.水平管在许多问题中,流体常在水平或接近水平的管子中流动.这时, 21h h =,式(4.7)变为)(212222112121h h P P =υρ+=υρ+ 从这一公式可以得出:在水平管中流动的流体,流速小处压强大,流速大处压强小的结论.如图4.7所示.这个结论和连续性原理:截面积大处速度小,截面积小处速度大联合使用,可定性说明许多问题.例如,空吸作用、水流抽气机、喷雾器等都是根据这一原理制成的.2. 流速计如图4.8所示,a 、b 两管并排平行放置,小孔c 在a 管的侧面,流体平行于管孔流过,这时液体在直管中上升高度为h 1;在b 管中小孔d 在管的一端,正对准流动方向,进入管内的流粒被阻止,形成流速为零的"滞止区",这时液体在管中的高度就比a 管高,设为h 2,令P 1、P 2分别为h 1、h 2与对应点处的压强,根据伯努利方程有2222112121υρ+=υρ+P P 21221υρ=-→P P gh P P 'ρ=-12而ρρ=υgh '2从而得： 在流体力学中,经常用液柱或流体柱高度(高度差)来表示压强(压强差)的大小.所以上式就可表示为gh 21212'ρ=υρ=-P P 若表示压强差的流体与管中流体相同,则gh 2=υ,若两者不同,则ρρ=υgh '2.因此,用液柱高度表示流体压强时,必须注意二者相同与否. 作业(P94)：4.5。

⼤学物理学习指导第2章流体⼒学基础第2章流体⼒学基础2.1 内容提要(⼀)基本概念 1.流体：由许多彼此能够相对运动的流体元(物质微团)所组成的连续介质，具有流动性，常被称为流体。

流体是液体和⽓体的总称。

2.流体元：微团或流体质量元，它是由⼤量分⼦组成的集合体。

从宏观上看，流体质量元⾜够⼩，⼩到仅是⼀个⼏何点，只有这样才能确定流体中某点的某个物理量的⼤⼩；从微观上看，流体质量元⼜⾜够⼤，⼤到包含相当多的分⼦数，使描述流体元的宏观物理量有确定的值，⽽不受分⼦微观运动的影响。

因此，流体元具有微观⼤，宏观⼩的特点。

3.理想流体：指绝对不可压缩、完全没有黏滞性的流体。

它是实际流体的理想化模型。

4.定常流动：指流体的流动状态不随时间发⽣变化的流动。

流体做定常流动时，流体中各流体元在流经空间任⼀点的流速不随时间发⽣变化，但各点的流速可以不同。

5.流线：是分布在流体流经区域中的许多假想的曲线，曲线上每⼀点的切线⽅向和该点流体元的速度⽅向⼀致。

流线不可相交，且流速⼤的地⽅流线密，反之则稀。

6.流管：由⼀束流线围成的管状区域称为流管。

对于定常流动，流体只在管内流动。

流线是流管截⾯积为零的极限状态。

（⼆）两个基本原理 1.连续性原理：理想流体在同⼀细流管内，任意两个垂直于该流管的截⾯S 1、S 2，流速v 1、v 2，密度ρ1、ρ2，则有111211v v S S ρρ= （2.1a ）它表明，在定常流动中，同⼀细流管任⼀截⾯处的质量密度、流速和截⾯⾯积的乘积是⼀个常数。

也叫质量守恒⽅程。

若ρ为常量，则有Q = S v = 常量（2.1b ）它表明，对于理想流体的定常流动，同⼀细流管中任⼀截⾯处的流速与截⾯⾯积的乘积是⼀个常量。

也叫体积流量守恒定律或连续性⽅程。

2 伯努利⽅程：理想流体在同⼀细流管中任意两个截⾯处其截⾯积S ，流速v ，⾼度h ，压强p 之间有11222121gh p gh p ρρρρ++=++2122v v (2.2) 或写成常量=++gh p ρρ221v 。

大学物理流体力学在我们的日常生活和科学研究中，流体无处不在。

从水龙头里流出的水，到空气中的气流，再到血管中流淌的血液，这些都是流体的表现形式。

而大学物理中的流体力学，则是一门专门研究流体运动规律和特性的学科，它为我们理解和解决与流体相关的各种问题提供了坚实的理论基础。

流体力学的研究对象是流体，即能够流动的物质。

与固体不同，流体在受到外力作用时会发生连续的变形，其形状和体积可以随着外力的变化而改变。

这种特性使得流体的运动规律比固体更为复杂，也更具挑战性。

在流体力学中，有几个重要的概念是我们首先需要了解的。

其中之一是流体的密度，它表示单位体积流体的质量。

另一个关键概念是压强，即流体作用于单位面积上的压力。

此外，流速也是一个重要的参数，它描述了流体在某一点的运动速度。

流体的运动可以分为层流和湍流两种基本形式。

层流是一种有序的流动，流体的质点沿着平行的轨迹运动，各层之间没有明显的混合。

而湍流则是一种无序的、混沌的流动，流体的质点运动轨迹杂乱无章，各层之间存在强烈的混合和能量交换。

在实际情况中，流体的运动往往是从层流逐渐过渡到湍流的。

为了描述流体的运动，科学家们提出了一系列的方程，其中最著名的当属纳维斯托克斯方程（NavierStokes equations）。

这个方程是一组非常复杂的非线性偏微分方程，它包含了流体的速度、压强、密度等变量以及时间和空间的导数。

尽管求解纳维斯托克斯方程非常困难，但它为我们研究流体运动提供了基本的理论框架。

在大学物理流体力学的学习中，我们还会接触到一些重要的定理和定律。

比如，连续性方程描述了流体在流动过程中质量守恒的原理；伯努利定律则揭示了流体在流动过程中压强、速度和高度之间的关系。

这些定理和定律在解决实际问题中具有重要的应用价值。

举个简单的例子，飞机能够在空中飞行，就离不开流体力学的原理。

飞机的机翼设计就是基于伯努利定律。

当空气流过机翼时，由于机翼的特殊形状，上表面的空气流速比下表面快，根据伯努利定律，上表面的压强就会低于下表面，从而产生了向上的升力，使飞机能够克服重力升空飞行。