泵与风机电子教案单元二.docx
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泵与风机电子教案单元二
单元
单元二液体机械运动的基本规律
课题
课题一液体静力学基本方程式及其应用
课型
新授课
课时
2
教学目标
知识目标:
液体静压力的特性,液体静力学基本方程式的第一表达式。
技能目标:
静压力特性的实用意义,确定静压力的大小和方向。
德育目标:
利用静压力的大小去确定静压力的大小和方向,为工程应用提供了便捷。
教学重点
1、静压力的特性。
2、静力学第一表达式。
教学难点
一、静压力大小和方向的实验判定。
二、静压力第一表达式的意义。
教学方法
讲授、分析、比较
教学媒体
教材、黑板、粉笔
授课时间
教材分析
液体静压力的两个重要特性对于工程上测量流体某点的静压力的大小和方位具有重要的意义,通过教材静压力特性分析,为水位计、水压机、闸门、水箱壁面受力分析打下基础。
教后记
布置作业
P492-1
作业情况
教学过程:
备注
引入课题:
液体静力学基本方程式是揭示不可压缩流体在平衡状态下力学规律的公式,用它可以确定静止液体内任意一点的静压力的大小。
讲授新课:
一、液体静压力的特性
1、流体的静压强定义
流体处于绝对静止或相对静止时的压强。
2、流体静压力的两个特性
方向性:
流体静压力的方向总是沿着作用面的内法线方向(原因:
静止流体不能承受剪力和拉力)
大小性:
流体静压力与作用面在空间的方位无关,仅是该点坐标的函数。
即:
任意一点所受各方向的流体静压强大小相等,与作用面的方位无关。
流体静压强的计算
3、流体静压力的两个特性的实用意义。
方向性:
只要已知作用面的位置,就能方便的确定液体静压力的方向。
大小性:
工程上测量流体某点的静压力时,不必选择方位,只需确定改点位置即可。
三、静力学基本方程的推导
1、方程的推导
设:
敞口容器内盛有密度为ρ的静止流体,取任意一个垂直流体液柱,上下底面积均为Am2。
作用在上、下端面上并指向此两端面的压力分别为P1和P2。
该液柱在垂直方向上受到的作用力有:
(1)作用在液柱上端面上的总压力P1
P1=p1A(N)
(2)作用在液柱下端面上的总压力P2
P2=p2A(N)
(3)作用于整个液柱的重力G
G=gA(Z1-Z2)(N)
由于液柱处于静止状态,在垂直方向上的三个作用力的合力为零,即:
p1A+gA(Z1-Z2)-–p2A=0
令:
h=(Z1-Z2)整理得:
p2=p1+gh
若将液柱上端取在液面,并设液面上方的压强为p0;
则:
p0=p1+gh
上式均称为流体静力学基本方程式,它表明了静止流体内部压力变化的规律。
即:
静止流体内部某一点的压强等于作用在其上方的压强加上液柱的重力压强。
2、静力学基本方程的讨论:
(1)在静止的液体中,液体任一点的压力与液体密度和其深度有关。
(2)在静止的、连续的同一液体内,处于同一水平面上各点的压力均相等。
(3)当液体上方的压力有变化时,液体内部各点的压力也发生同样大小的变化。
(4)
或
压强差的也大小可利用一定高度的液体柱来表示。
(5)整理得:
也为静力学基本方程
(6)方程是以不可压缩流体推导出来的,对于可压缩性的气体,只适用于压强变化不大的情况。
静力学表达式
——静力学第一表达式
小结:
流体力学也是遵循由浅入深,由简到繁,由特殊到一般的认识规律。
在讲述中利用物理学中物体受力平衡的原理推导静力学第一表达式,效果较好。
重点掌握
明确各过程线的含义
必须首先力的平衡进行计算
此处为难点,结合实际讲解
重点记忆第一表达式,是后续学习的需要
单元
单元二液体机械运动的基本规律
课题
课题一液体静力学基本方程式及其应用
课型
新授课
课时
2
教学目标
知识目标:
液体静力学第二表达式、第二表达式流体力学意义及作用。
技能目标:
用第二表达式来判定静止液体中的等压面。
德育目标:
通过压力图表的相互关系,制定安全压力表操作规程,从而提高工作效率。
教学重点
1、能头、能头线的概念。
2、第二表达式的流体力学意义及作用。
教学难点
1、如何正确的判定静止液体中的等压面。
2、第二表达式的公式应用。
教学方法
讲授、分析、比较
教学媒体
黑板、粉笔
授课时间
教材分析
在热力发电厂中,通过各种设备的压力表对设备的压力进行控制,对安全运行起着重要的指导作用,因而准确分析压力表的测量结果,进行电厂设备的有效控制至关重要。
教后记
布置作业
P492-2、2-3、2-5
作业情况
教学过程:
备注
引入课题:
研究流体机械运动的规律时,必须首先分析作用在流体上的各种力。
讲授新课:
一、静力学基本方程的推导
如图所示,容器中盛有密度为ρ的均匀静止液体,自由表面上的压强为P0,则单位质量力在各坐标方向上的分力fx=0,fy=0,fz=-g,代入压强差公式中,得
对不可压缩均质流体,积分上式可得静力学基本方程
式中c为积分常数,由边界条件确定。
这就是重力作用下的液体平衡方程,
静力学表达式
——静力学基本方程形式之一
2、由上式得
代入边界条件:
z=0时,p=p0
则p0=C’
所以
令-z=h(点在液面以下的深度h)
则
——静力学基本方程形式之一
⏹由液体静力学的基本方程式可以得出以下结论:
⏹1)在同一静止流体中,深度相同的各点,压强也相同。
这些深度相同的点所组成的平面是一个水平面,可见静止水平面是压强处处相等的面,即等压面。
⏹2)两种容重不同互不混合的液体,在同一容器中处于静止状态,两种液体之间形成分界面。
这种分界面既是水平面又是等压面。
⏹3)对于气体,由于气体的容重很小,在高差不大的情况下,气柱产生的压强值很小,因而可以忽略的影响。
⏹4)静止液体任一边界面上压强的变化,将等值地传到其他各点(只要静止不被破坏),这就是水静压强等值传递的帕斯卡定律。
注意:
判断等压面需静止、同种、连续三个条件
⏹1.静止的水面、湖面、池面为等压面;
⏹2.液体容器,测压管、锅炉等上部的气体空间,我们就认为各点的压强是相等的;
⏹3.帕斯卡定律在水压机,液压传动,气动阀门,水力闸门等水力机械中得到广泛应用。
举例
1.判断下列点的压强大小
P1 课堂小结: 灵活运用绝对压力、相对压力、真空值的关系式去求解各种表压力。 在理解的基础上掌握 明确各过程线的含义 此处为难点,结合实际讲解 应用静力学第二表达式来进行判定 让学生自主推导 单元 单元二液体机械运动的基本规律 课题 课题一液体静力学基本方程式及其应用 课型 新授课 课时 2 教学目标 知识目标: 通过第二表达式来了解液体静力学基本方程式的物理意义、几何意义和流体力学意义。 技能目标: 了解能量之间的转换关系。 德育目标: 通过能头之间的转换关系确定出静力能头与测压力能头之间的计算关系,为电厂的压力计算奠定基础。 教学重点 1、静力学方程式的流体力学意义。 2、静力能头线的确定方法。 教学难点 一、静力学方程式的流体力学意义。 二、测压管能头的计算方法。 教学方法 讲授、分析、比较 教学媒体 黑板、粉笔 授课时间 教材分析 本小节内容综合物理和几何两方面的意义,用能头表示单位重量流体所具有的能量,在同种、连通、静止的液体中、各点的位置能头和压力能头之间可以相互转换,为测压计的实际应用提供了前提理论基础。 教后记 布置作业 P492-6 作业情况 教学过程: 备注 引入课题: 流体在受到外在切向应力作用时,会产生不同特性的基本变形,流体也不例外,下面来具体研究一下。 讲授新课: 2.几何意义 ⏹ 流体静力学基本方程中的各项都具有长度的量纲,可用几何高度来表示它的意义。 在流体力学中常用水头来表示一个高度。 Z称为位置水头,称为压强水头,两水头相加称为测压管水头,它表示测压管水面相对于某基准面的高度。 表示同一静止液体中,所有各点的测压管水头都相等。 3、流体力学意义 z——位置水头;曲线AB——位置水头线; ——压强水头;曲线CD——测压管水头线。 ——速度水头。 直线EF——总水头线。 理想流体伯努利方程式的几何意义——理想流体沿流线运动时,其位置水头、压强水头、速度水头可能有变化或三个水头之间相互转化,但其各水头图 理想流体伯努利方程的几何意义 之和总是保持不变,即理想流体各过水断面上的总水 头永远是相等的。 如果用H表示各项水头之和,即总水头,则 伯努利方程写为H=常数或 小结: 流体力学也是遵循由浅入深,由简到繁,由特殊到一般的认识规律。 重点掌握 明确各过程线的含义 必须首先计算抽汽率 此处为难点,结 合实际进行讲解。 单元 单元二液体机械运动的基本规律 课题 课题一液体静力学基本方程式及其应用 课型 新授课 课时 2 教学目标 知识目标: 应用静力学基本方程式来测量液面位置,测量液体的压力。 技能目标: 让学生了解水位计测量方法,各种测压计在电厂中的应用。 德育目标: 电厂汽包水位测量、测压管压力的计算实现设备的安全运行。 教学重点 1、玻璃管水位计与汽包水位计的测量结果的不同。 2、汽包水位计的水位的绝对误差和相对误差的计算。 教学难点 1、各种液柱式测压计的应用范围。 2、水银测压计、真空计和差压计的压力计算。 教学方法 讲授、分析、比较 教学媒体 黑板、粉笔 授课时间 教材分析 在热力发电厂中,通过各种设备的压力表对设备的压力进行控制,对安全运行起着重要的指导作用,因而准确分析压力表的测量结果,进行电厂设备的有效控制至关重要。 教后记 布置作业 P492-7 作业情况 教学过程: 备注 引入课题: 研究流体机械运动的规律时,必须首先分析作用在流体上的各种力。 讲授新课: 四、液体静力学基本方程式的应用 1、测量液面位置 (1)玻璃管水位计: 应用的是连通器的原理。 (2)锅炉汽包水位计 2、测量液体的压力 (1)单管测压管(测压管) 测压管是一根直径均匀的玻璃管,直接连在需要测量压强的容器上,以流体静 力学基本方程式为理论依据。 真空: 相对压强: 优点: 结构简单 缺点: 只能测量较小的压强 (2)U形管测压计(利用等压面) 优点: 可以测量较大的压强 一、解体步骤: (1)选取等压面。 (2)根据静力学基本方程,分别写出等压面左侧和右侧的静压强表达式。 再按同一等压面上的各点静压强相等的原则,列出等压面方程。 (3)对等压面方程进行整理,并代入数据。 压强代入时,方程式两端应采用同一形式的压强。 课堂小结: 应用第二、三表达式进行测压计压力的测量。 在理解的基础上掌握 明确各过程线的含义 此处为难点,结合实际讲解 注意比较各种测压管的优缺点和在工程上的应用 单元 单元二液体机械运动的基本规律 课题 课题一液体静力学基本方程式及其应用 课型 新授课 课时 2 教学目标 知识目标: 了解帕斯卡原理的应用条件、应用原理及在电厂中的应用。 掌握压力的计算方法。 技能目标: 让学生了解水压机、液压千斤顶、往复泵、液压传动在工程中的应用。 德育目标: 应用液压千斤顶工作原理,进行安全操作运行。 教学重点 1、帕斯卡原理的应用条件。 2、掌握液压千斤顶的计算。 教学难点 一、液体总静压力的计算。 二、掌握压力中心和形心的确定方法 教学方法 讲授、分析、比较 教学媒体 黑板、粉笔 授课时间 教材分析 本小节内容通过液压千斤顶示意图及受力分析,真正理解帕斯卡原理在重力作用下,作用部分边界上的压力等值传送性,在电厂中应用非常广泛。 教后记 布置作业 P492-8 作业情况 教学过程: 备注 引入课题: 流体在受到外在切向应力作用时,会产生不同特性的基本变形,流体也不例外,下面来具体研究一下。 讲授新课: 四、液体静力学基本方程式的应用 3、论证帕斯卡原理 4、计算静止液体作用在壁面上的总压力 (1)作用在平壁上液体总静压力的计算公式 讨论质量力仅为重力时平衡流体对壁面的作用力。 固体平面壁上的作用力(大小、方向、作用点)考察平面壁AB上的作用力。 建立坐标lom如图。 平板上的作用力(大小): 微元面积dA上的压强: p=p0+ρgh微元面积dA上的微小作用力为dFdF=(p0+ρgh)dA=(p0+ρglsinα)dA 则F=p0A+ρgsinαlCA=(p0+ρghc)A=pCA 式中: hC——平面A形心C处的液深; pC——C点处的压强。 上式表明: 重力作用下,静止液体对平面壁的作用力等于平面形心处的静压强与平面面积的乘积。 压力中心(压力作用点)因FlD=⎰AldF 式中: lD——平面A压力中心D点的l轴坐标。 将F和dF的表达式代入上式得: (p0+ρghc)AlD=⎰A(p0+ρglsinα)ldA 或: (p0+ρglCsinα)AlD= =p0⎰AldA+ρgsinα⎰Al2dA 式中: ⎰Al2dA=Im=Icm+lC2A(平行移轴定理) Im——平面A对m轴的惯性矩; ICm——平面A对通过其形心C并与m轴平行的C-C轴的惯性矩(典型平面的ICm值可查表获得)。 若p0=0(液面为大气压), 则可得到很简单的形式: 可见总有: lD>lC,二者之间的距离为 压力中心D(作用点)液深: 课堂小结: 注意压力中心D点和型心点C点的确定方法。 重点掌握 明确各过程线的含义 必须首先计算抽汽率 此处为难点,结合实际讲解 单元 单元二液体机械运动的基本规律 课题 课题一液体静力学基本方程式及其应用 课型 新授课 课时 2 教学目标 知识目标: 了解作业在曲面壁上液体总静压力的计算公式,学会分析压力体的受力情况。 技能目标: 让学生了解实压力体和虚压力体在电厂中的应用。 德育目标: 准确分析压力体受力,确保运行安全。 教学重点 1、静止液体对曲面作用的总压力的受力分析。 2、压力体与压力中心的确定。 教学难点 1、例题中总压力的分析和计算。 2、平衡方程式的应用。 教学方法 讲授、分析、比较 教学媒体 黑板、粉笔 授课时间 教材分析 在热力发电厂中,通过各种设备的压力表对设备的压力进行控制,对安全运行起着重要的指导作用,因而准确分析压力表的测量结果,进行电厂设备的有效控制至关重要。 教后记 布置作业 P492-13 作业情况 教学过程: 备注 引入课题: 研究流体机械运动的规律时,必须首先分析作用在流体上的各种力。 讲授新课: 四、液体静压力基本方程式的应用 4、计算静止液体作用在壁面上的总压力 (2)作用在曲面壁上液体总静压力的计算公式 Ø作用力的水平分力为Fx 微小水平分力为: dFx=dFcosα=(p0+ρgh)dAcosα =(p0+ρgh)dAx 式中: dAx——微小曲面积dA在x轴方向 (或yoz坐标平面)上的投影面积。 则Fx=⎰AxdFx=⎰Ax(p0+ρgh)dAx =p0Ax+ρg⎰AxhdAx 式中: ⎰AxhdAx=hCAx——曲面A在yoz平面上的 投影面积Ax对y轴的面积矩。 hC——投影面积Ax形心处C的液深。 所以: Fx=p0Ax+ρghCAx=(p0+ρghC)Ax ——作用力的水平分力 Ø作用力的垂直分力Fz 微小垂直分力为: dFz=dFsinα=(p0+ρgh)dAsinα=(p0+ρgh)dAz 式中: dAz——微小曲面积dA在z方向上 的投影面积。 则: Fz=⎰AzdFz=⎰Az(p0+ρgh)dAz =p0Az+ρg⎰AzhdAz 显然,式中: ⎰AzhdAz=VF——曲面ab上方的 液体体积,称为压力体。 所以: Fz=p0Az+ρgVF ——作用力的垂直分力 液体对曲面的作用力: F的作用方向: θ——F的方向与垂直方向的夹角。 Ø压力体的概念 积分式⎰AzhdAz——纯几何体积。 定义: 由所研究的曲面A,通过曲面A的周界(外缘)所作的垂直柱面,以及对曲面A有作用的液体自由液面(或其延伸面)所围成的封闭体积,用VF表示,称为压力体。 压力体液重: ρgVF 实压力体——压力体与受压面同侧。 虚压力体——压力体与受压面异侧。 或: 压力表用测压管代替时 课堂小结: 注意平衡方程的确定和压力体的受力分析。 在理解的基础上掌握 明确各过程线的含义 此处为难点,结合实际讲解 单元 单元二液体机械运动的基本规律 课题 课题一液体静力学基本方程式及其应用 课型 新授课 课时 2 教学目标 知识目标: 掌握浮力的概念和在电厂中的应用,分析重力和浮力的大小关系和在水中的状态。 技能目标: 浮力的应用,了解并掌握浮子式水位调节器的应用原理。 德育目标: 分析圆阀、浮子应用,学会受力分析来进行力的求解。 教学重点 1、掌握浮力产生的原因。 2、掌握浮力的计算公式。 教学难点 一、了解关于浮力的应用的实例。 二、掌握浮力的计算方法。 教学方法 讲授、分析、比较 教学媒体 黑板、粉笔 授课时间 教材分析 本小节内容通过分析重力与浮力的大小关系,确定了物体在水中的三种状态: 沉体、潜体和浮体。 在热电厂浮子式水位调节器就是应用的重力浮力的关系,具有重要意义。 教后记 布置作业 P522-14 作业情况 教学过程: 备注 引入课题: 不会游泳的人在死海里为什么不会被淹死? 为什么淹不死他们? 是神在保护他们吗? 讲授新课: 一、浮力的计算公式 1、浮力的概念 ⑴浮力: 浸在液体(或气体)里的物体受到液体(或气体)对物体向上的托力叫做浮力。 ⑵浮力的方向是竖直向上的。 ⑶浮力产生的原因。 浸在液体(或气体)里的物体受到的压力差就是液体(或气体)对物体的浮力。 假设浸没物体的边长是a的立方体,立方体的各个侧面受到液体的压力相互抵消,但其上下底面所受到压力大小不同, 上表面受到液体对其向下压力的大小为: F下=ρ液gh1a2 下表面受到液体对其向上压力的大小为: F上=ρ液gh2a2 两者之差就是浮力大小: F浮=F上―F下=ρ液gh2a2―ρ液gh1a2 =ρ液g(h2―h1)a2=ρ液ga3 2、正确理解阿基米德原理 浸在液体里的物体受到向上的浮力,浮力的大小等于物体排开液体的重力,这就是阿基米德原理,它的数学表达式是: F浮=ρ液gV排=G排液 对阿基米德原理及其公式,应注意理解以下几点: ⑴阿基米德原理阐明了浮力的三要素: 浮力作用在浸在液体(或气体)的物体上,其方向是竖直向上的,其大小等于物体所排开的液体(或气体)受到的重力,即 F浮=G排液 ⑵“浸在”的含义既包括物体全部体积都没入液体里,也包括物体的一部分体积在液体里面而另一部分体积露出液面的情况,“浸没”指全部体积都在液体里,阿基米德原理对浸没和部分体积浸在液体中都适用。 ⑶“排开液体的体积”即V排和物体的体积为V物,它们在数值上不一定相等,当物体浸没在液体里时,V排=V物,此时,物体在这种液体中受到浮力最大。 如果物体只有一部分体积浸在液体里,则V排<V物,这时V物=V排+V露。 当液体的密度ρ一定时,根据F液=ρ液gV排,物体排开液体的体积小,物体受到的浮力就小,物体排开液体的体积大,物体受到的浮力就大,物体受到的浮力跟它排开液体的体积成正比。 由此看出浮力的大小跟物体的体积的大小无关,物体的体积再大,浸在液体里的体积很小,它也不会受到多大的浮力。 ⑷根据阿基米德原理公式F浮=ρ液gV排,当物体排开液体的体积V排一定时,浮力的大小跟液体的密度成正比。 即浮力的大小跟液体的密度ρ液、物体排开液体的体积V排有关,而与物体自身的重力、体积、密度、形状无关。 浸没在液体里的物体受到的浮力不随物体在液体中的深度的变化而改变。 如图所示: 体积相同的铝球、铁板、木块浸没水中的深度不同,虽然它们本身的密度、形状、重力,在水中的深度各不相同,但它们受到的浮力却是相同的,这就是因为浮力的大小只是由ρ液、V排决定的。 ⑸阿基米德原理也适用于气体: F浮=ρ气gV排,浸在大气里的物体,V排=V物。 3、物体的沉浮 放在液体中的物体平衡有三种情况。 一是物体漂浮在液面上,如漂浮在水面上的木块;二是物体悬浮在液体中,既不露出液面,也不沉到容器底。 如酒精和水按一定比例混和后,橄榄油会成球状悬浮在混和液中;三是物体沉到容器底部,如下沉到容器底部的实心铁球。 当物体漂浮或悬浮时,根据物体受力平衡,它所受重力和浮力平衡。 若下沉,则物体所受浮力小于其重力,物体下沉到容器底部后,物体所受容器底对其弹力,浮力和它的重力平衡。 从物体与液体的密度关系来看,当物体漂浮在液面上时,物体排开液体的体积必然小于物体本身体积,V排<V物,而G=F浮,则ρ物gV物=ρ液gV排可知ρ物<ρ液。 当物体悬浮在液体中时,物体排开液体的体积V排=V物,由ρ物gV物=ρ液gV排可知ρ物=ρ液 当物体沉到容器底时,可知G物>F浮,而V物=V排,ρ物gV物>ρ液gV排,可知ρ物>ρ液。 由上所述,可得出结论 当ρ物<ρ液时,物体漂浮 当ρ物=ρ液时,物体悬浮 当ρ物>ρ液时,物体下沉 应该看到,上浮和下沉都是动态过程,浮力大于重力时,当物体在水中的上浮过程中,其受力情况是不变的,但当物体部分露出水面后,其所受浮力随其露出水面部分体积的增加而减小,直至浮力与重力平衡,物体飘浮在水面上。 若物体所受浮力小于重力,物体将下沉,在水中下沉过程中物体受力情况也不变,直到物体与容器底部接触,此时物体受到浮力与容器底部对物体托力之和跟物体重力平衡。 4、
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