本實(shí)用新型涉及物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備領(lǐng)域，具體地講，涉及一種液體壓強(qiáng)與流速測(cè)試儀。

背景技術(shù)：

當(dāng)前所存在的有關(guān)“液體伯努利方程驗(yàn)證”的物理教學(xué)教具大致分為小型演示儀、大型驗(yàn)證裝置以及計(jì)算機(jī)仿真模擬。

小型演示儀大都是通過底部玻璃管的粗細(xì)來形成液體流速的差異，再通過上方玻璃細(xì)管的液面高低來反映液體壓強(qiáng)的大小。粗管處液體流速小，與粗管相連的玻璃管液面較高，說明其壓強(qiáng)大；細(xì)管處液體流速大，與細(xì)管相連的玻璃管液面較低，說明其壓強(qiáng)小。從而得出結(jié)論——流體流速大的位置壓強(qiáng)小，流體流速小的位置壓強(qiáng)大。

缺點(diǎn)是儀器簡(jiǎn)單，只能定性的觀察出流速和壓強(qiáng)的小大，從定性角度找尋它們之間的大小關(guān)系，并不能從定量的角度測(cè)量出流速、壓強(qiáng)的具體數(shù)據(jù)，無法從數(shù)值的角度驗(yàn)證伯努利方程。

大型驗(yàn)證裝置雖然所測(cè)量的數(shù)據(jù)精確度高，但體積龐大，能耗多，成本高，內(nèi)在結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，學(xué)生往往不易理解內(nèi)在機(jī)理，不明白到底是如何驗(yàn)證伯努利方程的，不利于學(xué)生深刻理解液體的伯努利方程。

計(jì)算機(jī)仿真模擬雖然可以模擬出大型伯努利驗(yàn)證裝置并進(jìn)行測(cè)量和驗(yàn)證，但是始終不及實(shí)物能給學(xué)生身臨其境的感覺，不利于學(xué)生的理解和記憶。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種液體壓強(qiáng)與流速測(cè)試儀，內(nèi)在結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔易懂，測(cè)量方法直觀精確，操作簡(jiǎn)單，效果直觀化且成本低。

本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的：

一種液體壓強(qiáng)與流速測(cè)試儀，包括蓄水槽，其特征是：所述蓄水槽連通橫向粗管，所述橫向粗管連通橫向細(xì)管，所述橫向細(xì)管通過循環(huán)水管連通所述蓄水槽，所述循環(huán)水管上設(shè)置有循環(huán)水泵和止水夾，所述橫向粗管和所述橫向細(xì)管的頂部均連通帶有刻度的細(xì)長(zhǎng)管，兩個(gè)所述細(xì)長(zhǎng)管的上端連通，所述橫向粗管和所述橫向細(xì)管內(nèi)對(duì)應(yīng)設(shè)置有長(zhǎng)度相同、直徑不同的空心蠟塊，所述橫向粗管和所述橫向細(xì)管上分別設(shè)置有光電門，兩個(gè)所述光電門均連接光電測(cè)速器。

作為對(duì)本技術(shù)方案的進(jìn)一步限定，所述循環(huán)水泵為穩(wěn)流循環(huán)水泵，所述循環(huán)水泵的型號(hào)為385微型隔膜水泵。

作為對(duì)本技術(shù)方案的進(jìn)一步限定，所述止水夾采用流速調(diào)節(jié)控制開關(guān)。

作為對(duì)本技術(shù)方案的進(jìn)一步限定，所述空心蠟塊為圓柱形的紅色空心蠟塊。

現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：本實(shí)用新型引入可控流速的止水夾和穩(wěn)流循環(huán)水泵來保證伯努利方程成立的前提條件—系統(tǒng)穩(wěn)流。為了直觀精確的反映出流動(dòng)液體的壓強(qiáng)變化，采取了用連接在不同位置處細(xì)長(zhǎng)管內(nèi)的水柱高度差Δh代替以往裝置使用的水銀柱的高度差，將測(cè)量靈敏度提高到原來的10倍，更精確的反映出不同位置的壓強(qiáng)之差Δp；利用空心蠟塊，將不能直接觀測(cè)、不易測(cè)量的物理量—液體流速，轉(zhuǎn)變成較易測(cè)量的物理量——蠟塊速度，引入光電測(cè)速器、光電門，利用光電測(cè)速器即可測(cè)得蠟塊通過光電門的瞬時(shí)速度，即液體流速。本實(shí)用新型能夠定性且定量的測(cè)定出液體流速與壓強(qiáng)的大小及其關(guān)系，使得內(nèi)在結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔易懂，測(cè)量方法直觀精確，操作簡(jiǎn)單，效果直觀化且成本低。學(xué)生上手操作簡(jiǎn)單，體積遠(yuǎn)小于現(xiàn)有大型裝置，效果非常直觀易理解。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1、蓄水槽，2、循環(huán)水泵，3、循環(huán)水管，4、細(xì)長(zhǎng)管，5、止水夾，6、光電測(cè)速器，7、光電門，8、橫向細(xì)管，9、空心蠟塊，10、橫向粗管。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型的一個(gè)具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述，但應(yīng)當(dāng)理解本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不受具體實(shí)施方式的限制。

如圖1所示，本實(shí)用新型包括蓄水槽1，所述蓄水槽1連通橫向粗管11，所述橫向粗管11連通橫向細(xì)管8，所述橫向細(xì)管8通過循環(huán)水管3連通所述蓄水槽1，所述循環(huán)水管3上設(shè)置有循環(huán)水泵2和止水夾5，所述橫向粗管10和所述橫向細(xì)管8的頂部均連通帶有刻度的細(xì)長(zhǎng)管4，兩個(gè)細(xì)長(zhǎng)管4的上端連通，所述橫向粗管10和所述橫向細(xì)管9內(nèi)對(duì)應(yīng)設(shè)置有長(zhǎng)度相同、直徑不同的空心蠟塊9，所述橫向粗管10和所述橫向細(xì)管8上分別設(shè)置有光電門7，兩個(gè)所述光電門7均連接光電測(cè)速器6。

所述循環(huán)水泵2為穩(wěn)流循環(huán)水泵，所述循環(huán)水泵的型號(hào)為385微型隔膜水泵，所述止水夾5為能夠控制流速的止水夾，所述止水夾采用普通的流速調(diào)節(jié)控制開關(guān)，此為現(xiàn)有技術(shù)的產(chǎn)品，在此不再贅述。

所述空心蠟塊9為圓柱形的紅色空心蠟塊。

我們采取了可控流速型止水夾5與穩(wěn)流循環(huán)水泵2相結(jié)合的方式，保持系統(tǒng)處于穩(wěn)流狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中，采用可控流速的止水夾5來控制得到穩(wěn)定的流速；以循環(huán)水泵，保證蓄水槽液面高度保持不變，保證水源的穩(wěn)定性。兩者結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)封閉的穩(wěn)流系統(tǒng)，從而滿足伯努利方程成立的前提條件。

為了直觀精確的反映出流動(dòng)液體的壓強(qiáng)變化，我們采取了用連接在不同位置處細(xì)長(zhǎng)管內(nèi)的水柱高度差Δh代替以往裝置使用的水銀柱的高度差，將測(cè)量靈敏度提高到原來的10倍：

改進(jìn)后使用水柱與原來使用水銀柱，測(cè)量相同壓強(qiáng)差時(shí)，有：

P_B-P_A＝(ρ_Hg-ρ)gΔh₁＝ρgΔh₂，

故，

可見，改用水柱顯示壓強(qiáng)差后，測(cè)量的靈敏度提高了12倍左右，更精確的反映出不同位置的壓強(qiáng)之差Δp。

我們將兩根細(xì)長(zhǎng)管4分別連接到粗細(xì)不同的橫向粗管10和橫向細(xì)管8上，并將兩根管的上部連接。當(dāng)某處的液體流速較大時(shí)，根據(jù)伯努利原理，該處的液體壓強(qiáng)會(huì)變小，那么連接在該處的細(xì)長(zhǎng)管內(nèi)的液面高度，會(huì)隨著液體壓強(qiáng)的減小而迅速降低，另一根細(xì)長(zhǎng)管的液面高度就會(huì)隨著液體壓強(qiáng)的增加而迅速升高，直至兩根管內(nèi)的液面高度差穩(wěn)定。該處細(xì)長(zhǎng)管內(nèi)這段水柱高度差，就能夠非常直觀有效的體現(xiàn)出該處液體壓強(qiáng)的改變。

液體流速無法用肉眼直接觀察快慢，并且難以測(cè)量，若引入專業(yè)儀器，成本又會(huì)大幅度提高。為直觀的反映液體流速，我們巧妙的設(shè)計(jì)了兩個(gè)長(zhǎng)度相同、粗細(xì)不同的紅色空心蠟塊9，分別放入橫向粗管10和橫向細(xì)管8中。

當(dāng)管內(nèi)液體流動(dòng)起來時(shí)，液體推動(dòng)空心蠟塊9，兩個(gè)蠟塊也會(huì)隨之運(yùn)動(dòng)，我們將蠟塊的運(yùn)動(dòng)速度就近似的看作是液體的流速，蠟塊速度就代表了液體流速。這樣，把一個(gè)不直觀、不易測(cè)得的物理量——液體流速，轉(zhuǎn)換成了一個(gè)非常直觀、比較容易測(cè)得的物理量——蠟塊速度。

引入光電測(cè)速器7，將光電門8放置在橫向粗管10和橫向細(xì)管8上，利用光電測(cè)速器7即可測(cè)得蠟塊通過光電門的瞬時(shí)速度，即液體流速，光電測(cè)速器7和光電門8都是采用現(xiàn)有技術(shù)的產(chǎn)品，在此不再贅述。

裝置底部橫向粗管10和橫向細(xì)管8相連，在管內(nèi)各有一個(gè)長(zhǎng)度相同、粗細(xì)不同的空心蠟塊9，能夠區(qū)分并測(cè)量不同的流速。單位時(shí)間內(nèi)的流量Q是一定的，但粗管和細(xì)管的橫截面積S不同，由于Q＝v×S，所以粗管內(nèi)的液體流速V_A小，而細(xì)管內(nèi)的液體流速V_B大。

裝置上方兩根完全相同且?guī)в锌潭鹊募?xì)長(zhǎng)管4，下端分別接在粗、細(xì)兩橫管上，上端相互連接，以兩根細(xì)長(zhǎng)管4內(nèi)的水柱高度差Δh，來反映橫向粗管10和橫向細(xì)管8內(nèi)的壓強(qiáng)之差Δp。

長(zhǎng)方體蓄水槽1能夠提供水源。

由于伯努利方程的成立是有條件的：必須要在一個(gè)穩(wěn)定流動(dòng)的流線上才能成立，包括兩方面，其一，水源要穩(wěn)定；其二，流速要穩(wěn)定。為此，我們采用了可控流速的止水夾5與穩(wěn)流循環(huán)水泵2結(jié)合的方式，用止水夾5來控制穩(wěn)定的流速，以循環(huán)水泵2來保證水源處水位不便，保證水源穩(wěn)定，從而保證系統(tǒng)穩(wěn)流。

根據(jù)伯努利原理，如果在同一流動(dòng)系統(tǒng)中p為流體中某點(diǎn)壓強(qiáng)，v為為流經(jīng)該點(diǎn)的流體流速，ρ為流體的密度，g為重力加速度，h為該點(diǎn)所在高度，C是常量。伯努利方程表達(dá)式為：

或

伯努利方程是在忽略流體粘滯性的前提下導(dǎo)出的關(guān)于流體流動(dòng)性的基本方程。對(duì)于實(shí)際流體,只要其粘滯性足夠小,伯努利方程就可以應(yīng)用.由于水、酒精這一類“稀薄”的流體粘滯性?？珊雎?。

由方程可以看出，當(dāng)管內(nèi)流速變大時(shí)，所在位置的壓強(qiáng)就會(huì)減小。我們主要驗(yàn)證的是當(dāng)所取的驗(yàn)證點(diǎn)都在同一高度時(shí)，壓強(qiáng)p與速度的關(guān)系。由此思路化簡(jiǎn)公式得：

其中，ΔP為粗細(xì)兩管的壓強(qiáng)之差，V_B為橫向細(xì)管8的液體流速，V_A為橫向粗管10的液體流速。

我們通過兩根細(xì)長(zhǎng)管4的液面高度差Δh來反映壓強(qiáng)差ΔP的大小，通過空心蠟塊9速度反映流速V的大小。公式可寫成：

上式中，高度差Δh直接可通過刻度尺讀出；而流速V可通過光電測(cè)速器6測(cè)得。

做出高度差Δh關(guān)于流速的平方之差的擬合圖線，即能對(duì)伯努利方程進(jìn)行較好的驗(yàn)證。

操作步驟

(1)未打開止水夾5時(shí)，向蓄水槽1內(nèi)注入適量液體(添加幾滴墨水效果更明顯)，此時(shí)整個(gè)裝置是一個(gè)連通器，各處液面高度相等。

(2)打開光電測(cè)速器6開關(guān)，準(zhǔn)備好測(cè)量?jī)蓚€(gè)空心蠟塊9的運(yùn)動(dòng)速度。

(3)調(diào)整好止水夾5所控流速大小，按下循環(huán)水泵2的開關(guān)，裝置中的有色墨水就會(huì)流動(dòng)，空心蠟塊9也會(huì)隨水而運(yùn)動(dòng)。如此，蠟塊速度就為管內(nèi)水流的速度，光電測(cè)速器顯示屏上所顯示的數(shù)據(jù)就是兩個(gè)蠟塊對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度，此速度即為液體的流速，而兩根細(xì)長(zhǎng)管之間的液面高度差Δh，即可代表液體的壓強(qiáng)差。

記錄此時(shí)的兩個(gè)速度及兩根細(xì)長(zhǎng)管的水柱高度差Δh。

用止水夾5控制得到不同的液體流速，多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，記錄不同流速下，多組蠟塊速度V_B、V_A和高度差Δh。

以上公開的僅為本實(shí)用新型的一個(gè)具體實(shí)施例，但是，本實(shí)用新型并非局限于此，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員能思之的變化都應(yīng)落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。