《液压与气压传动（第2版）》教案 第3课 设计液压千斤顶——流体力学基础知识（一）.docx

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1、课题设计液压千斤顶流体力学基础知识（一）课时2 课时(90 min )教学目标知识技能目标：1 .掌握液体静力学基础2 .掌握液体动力学基础思政育人目标：培养学生刻苦钻研的学习作风教学重难点教学重点：液体静力学基础和动力学基础教学难点：液体静力学基础和动力学基础的应用教学方法问答法、讨论法、讲授法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学设计第1节课：课前任务一考勤（2min）一任务导入（8 min ） 一传授新知（35 min ）第2节课：问题导入（5 min ）一传授新知（30 min ）一知识拓展（5 min ）一课堂小结（3 min ）一作业布置（2 min ）教学过程主要教学内容及步

2、骤设计意图第一节课课前任务【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，让其提醒同 学通过文旌课堂APP或其他学习软件，完成课前任务李明是东方千斤顶厂的实习生。一天，他接到了设计液压千斤 顶的任务，要求能举起2 t重的汽车。现在厂内有一批液压缸库存， 大液压缸内径D为100 mm，小液压缸的内径d为3。mmo李明想 充分利用库存来设计液压缸，他应该怎么办呢?【学生】完成课前任务通过课前的预热， 让学生了解本次课 所学课程的大概内 容，激发学生的学习 欲望考勤(2 min) 【教师】使用文旌课堂APP ,让学生登录签到 【学生】使用文旌课堂APP签到培养学生的组织 纪律性，掌握学生的 出勤情况任务

3、导入（8 min） 【教师】让学生扫描二维码，领取任务工单1-3。提问： 如何设计液压十斤顶，使其能够举起一定重量的负载，并随 机邀请学生回答 【学生】聆听、思考.回答 【教师】总结学生的回答同学们的回答很优秀，通过计算施加在液压缸上的力来设计 液压十斤顶。卜面我们通过本节课的知识，来详细学习液压千斤 顶的设计。通过互动导入，弓1 导学生思考，调动学 生的主观能动性，激 发学生的学习兴趣传授新知（35 min） 【教师】介绍工程实际和生活中的液体流动和振动现象，导 入知识通过老师的讲解， 使学生掌握液体静力学基础和动力学 基础在工程实际中，液压泵的安装位置离油箱中的液面有一定的高 度要求，那么

4、要如何确定泵的安装高度呢？在日常生活中，当我们 开大水龙头之后又迅速关闭时，常听到自来水管内发出猛烈的撞击 声，水管也产生了振动，这种现象是如何产生的呢？液体流动的过 程中又有哪些规律可循？通过学习基本的流体力学知识，我们可以 找到其中的答案。(详见教材) 【学生】聆听、理解、记忆一、液体静力学基础 【教师】介绍静止液体的概念，引入液体静力学基础静止液体是指液体内部质点间没有相对运动，即不呈现黏性的 液体。如果盛装液体的容器本身处在运动之中，则液体处于相对静 止状态。1 .静压力及其性质液体单位面积上所受的法向力称为压力，通常用p表示，在物 理学中称为压强，但在工程中，人们习惯称为压力。液体内

5、某点处 压力p定义为p=lim(M3)帛1。&4式中，M微元面积;AF法向微元作用力。静止液体的压力称为静压力。若在静止液体的面积A上，作用 着均匀分布的法向力F,则静压力可表示为o=-(144)A 【教师】提示学生液体静压力的基本特性液体静压力有以下两个基本特性。液体静压力沿法线方向，垂直于承压面。静止液体内任一点所受到的各个方向的压力都相等。如果在 液体中某点受到的各个方向的压力不相等，那么液体就会产生运动, 也就破坏了液体静止的条件。 【学生】聆听、理解、记忆2 .静力学基本方程在重力作用下的静止液体，其受力情况如图1-7 (a)所示，除 了液体本身的重力及液面上的压力以外，还有容器壁面

6、对液体的压 力。如果要求出液体内离液面深度为h的点B处的压力，可以从液 体内取出一个底面通过该点的垂直小液柱，如图1-7 ( b )所示。(详见教材)静力学基本方程为：P= Po + Pgh = Po+PgCq -）（1-16）式中，zO液面与基准水平面之间的距离；z深度为h的点A与基准面之间的距离。 【教师】提示学生对式（16 ）进行整理后可得到静力学基本方程的另一表达方式（详见教材） 【学生】聆听、理解、记忆 【教师】讲解书上例1-1例1-1题目如图1-9所示，已知容器A中的液体密度，容器B 中的液体密度（详见教材）。 【学生】聆听、理解、思考3.压力的表示方法及单位压力有绝对压力和相对压

7、力两种表示方法。以绝对真空作为基 准测量的压力，称为绝对压力；以当地大气压力为基准测量的压力, 称为相对压力。绝对压力与相对压力的关系及真空度详见教材。-jfrCLs 我51笈4?vs当以大气压为基准计算压力时，基准以上的正值是表压力，基 准以下的负值是真空度。绝对压力、相对压力和真空度之间的关系 如图1-10所示。P.（大气压力）P-0 （绝对真空）图L10绝对压力、相对压力和真空度【教师】提示学生压力的单位换算压力的法定计量单位称为帕斯卡（简称帕）,用符号Pa表示, 单位为N/m，在工程上采用工程大气压（at）时，它们之间的相互 换算关系为1 at = 9.8xl04 N/m2105Pa

8、= 0.1 MPa 【学生】聆听.理解、记忆4.帕斯卡原理用密封容器内存放静止液体，当边界上的压力Po发生变化时， 若增加Ap，则容器内任意一点的压力将增加同一数值即，即在密 封容器内施加于静止液体仕意一点的压力将以等值传递到液体中的 各点，这便是帕斯卡原理（或称静压传递原理）。 【教师】提示学生忽略液体自重的情况在液压传动系统中，外力产生的压力通常要比液体自重所产生 的压力大得多，因此可以忽略式（1-15 ）中的夕项，而认为 静止液体内部各点的压力处处相等。 【学生】聆听、理解.记忆根据帕斯卡原理和静压力的特性，液压传动不仅可以进行力的 传递，而且还能将力放大和改变力的方向。如图1-H （详

9、见教材） 所示为应用帕斯卡原理推导压力与负载关系的实例。5.液体作用十容器壁面上的力在进行液压传动装置的设计和计算时,常常需要计算液体在平 面上和曲面上的静压力，如液压缸活塞所受的静压力，液压阀的阀 芯所受的静压力等。 【教师】分别分析当固体壁面为平面和曲面时的液压作用力如图1-12 （ a ）所不，当固体壁面为平面时，（详见教材）。如图1-12 （ b ）和图1-12 （ c ）所示，当固体壁面为曲面时， （详见教材）。 【学生】聆听、理解.记忆 【教师】讲解书上例1-2例12题目如图1/3所不为某安全阀受力简图。该阀阀芯为圆 锥形，阀座孔径d = 10mm，阀芯最大直径。=15 mm。（详

10、 见教材）。 【学生】聆听、理解、思考第二节课问题导入（5 min）在液压传动中，液压油总是不断流动着的，因此研究液体运动时 的现象和规律是十分必要的。那么如何分析液体流动时的运动规律、 流动液体中的能量及其能量的转换、流动液体对固体壁面的作用力等 问题呢？通过询问问题， 让学生思考液体动 力学对液压传动的 重要性传授新知（30 min）二、液体动力学基础1 .液体动力学的基本概念1 ）理想液体、恒定流动和一维流动理想液体是一种假想的无黏性、不可压缩的液体，而实际的液体 既有黏性又可压缩。恒定流动是指液体流动时，（详见教材）。通过讲解，让学 生了解液体动力学 基础，包括基本概 念和三种方程等一

11、维流动是指整个液体做线形流动，（详见教材）。 【教师】提示学生注意：通常把封闭容器和管道内的液体的流动按一维流动处理，再用实 验数据来修止具结果。 【学生】聆听、理解、记忆 ）流线、流束、流管和通流截面流线、流束、流管和通流截面是对液流的几何描述。 1 ）流线。流线是液流中一条条标志其各处质点运动状态的曲 线。如图1-14所示（详见教材）。【教师】提问学生：图1-14中为什么流线不能转折或相交？ 【学生】思考、理解.回答【教师】总结学生的回答由于液流中每一质点在每一瞬时只能有一个速度，因而流线 之间不可能相交,也不可能突然转折，它只能是一条条光滑的曲 线。（2 ）流束与流管。通过某截面A上各点

12、画出流线，这些流线的 集合便构成了流束，如图1-15所不（详见教材）。流束表面称为流 管,如图1-16所示（详见教材），流管与真实管道相似。（3 ）通流截面。在流束中，与所有流线止交的截面称为通流截 面。通流截面可以是平面，也可以是曲面。例如，图1-15中的截面 A是平面，而截面B则是曲面，（详见教材）。3）流量和平均流速单位时间内流过管道或液压缸屎一截面的液体体积称为流量, 一般用符号q表示,其常用单位为L/min和m3/s。液体在管道内流动时，由于实际液体具有黏性，因此通流截 面上各点的流速是不相等的。管壁处的流速为零，管道中心处 流速最大，流速分布如图1-17 （ a ）所示（详见教材）

13、。若要求 得流经整个通流截面A的流量，可在通流截面A上取一微小流束 的截面dA ,如图1-17 （ b ）所不（详见教材）。流经整个通流截面A的流量和平均流速为（详见教材）4）流动状态和雷诺数（1 ）层流和素流。19世纪末，英国物理学家雷诺通过大量的实 验首先发现,液体在管道中流动时，存在两种完全不同的流动状态， 即层流和紊流。（详见教材）实验结果表明，在层流时，液体质点互不十扰，液体的流动呈线 性或层状，且平行十管道轴线，如图1-18 （ a ）所不（详见教材）；而在紊流时，液体质点的运动杂乱无章，除7平行十管道轴线的运动 外，还存在着剧烈的横向运动,如图1-18 （ b ）所不（详见教材）

14、。 【教师】点拨学生：在层流状态下流动时，液体的能量主要消耗在黏性摩擦损失上， 它直接转化成热能,一部分被液体带走,一部分传给管壁。而在紊流 状态下，液体的能量主要消耗在动能损失上，这部分损失使液体搅动 混合，产生漩涡，撞击管壁，引起振动，形成液体噪声。（详见教材） 【学生】聆听、理解、记忆1 2 ）雷诺数。通过实验证明，液体在圆管中的流动状态不仅与 管内的平均流速有关，还和管径、液体的运动黏度有关。（详见教材）雷诺数是液体在管道中流动状态的判断依据。常见的液流管道的 临界雷诺数由实验求得，如表1-7所K （详见教材）。2 .液流连续性方程如图1-19所不，如果液体做恒定流动，且不口压缩，那么

15、任取 一流管，其两端通流截面面积分别为.（详见教材）。液流连续性方程详见教材的式（1-25 ）。它的物理意义是：在恒 定流动的情况下，当不考虑液体的可压缩性时，流过管道各个截面的 流量均相等，而平均流速与通流截面的面枳成反比。3 .伯努利方程1 ）理想液体恒定流动时的伯努利方程理想液体无黏性，它在管道内做恒定流动时，没有能量损失。根 据能量守恒定律，无论液流的能量如何转换，在任何位置上的能量总 和都是相等的。（详见教材） 【教师】点拨学生：如果流速为零，则伯努利方程为液体静力学基本方程。 【学生】聆听、理解、记忆2）实际流体恒定流动时的伯努利方程 【教师】提问学生，描述问题为什么有理想的伯努利

16、方程和实际的伯努利方程之分？ 【学生】思考、理解、回答 【教师】总结学生的回答由于实际流体存在黏性，流体在流动时，流体与固体壁面之间会 产生摩擦,消耗能量；当管道的形状、尺寸及流向突然发生变化时， 液流会产生漩涡，质点间会相互撞击，也会消耗能量。同时，由于在伯努利方程中用平均流速v来代替实际流速，因而在动能计算中将 产生误差，也需要进行修正。实际流体恒定流动时的伯努利方程（详见教材） 【教师】讲解书上例例1-3题目如图1-21所示（详见教材）。 【学生】聆听、理解、思考 【教师】提问学生注意在应用伯努利方程时，关键是两个截面的选取，一个截面应选在 参数已知或可求处，另一个截面应选在参数待求处。

17、（详见教材） 【学生】聆听.理解、记忆4.动量方程流动液体的动量方程是能量守恒定律在流体力学中的具体应用。 动量方程研究液体运动时动量的变化与所有作用在液体上的外力之 间的关系。（详见教材）应用动量方程时，需要特别注意动量方程是矢量方程。实际应用 时，应将方程中各矢量按坐标轴投影分解为指定方向的投影值，再列 出该方向上的动量方程。 【教师】讲解思政讲堂（详见教材） 【学生】聆听、思考、理解知识拓展（5 min ） 【教师】提问并让学生思考回答工人用皮管给草坪浇水时，想使皮管出水口处的水射得更远些， 你能帮他们想出一个最简单的方法吗？ 【学生】思考.理解、回答 【教师】拓展讲解根据流体流速与压强

18、的关系，为了使水射得更远些可以把皮管 的出水口变得更小些，这样水流速度就会变大。工人可用手捏住皮 管的出水口部分，使皮管出水口部分横截面积减小，水的流速增大, 压强降低，这样水射得更远。 【学生】聆听、思考、理解、记忆通过拓展知识的 讲解，丰富学生的 认知课堂小结（3 min）【教师】简要总结本节课的要点本节课学习了液体静力学基础和动力学基础。希望大家通过学习 本节的知识，为后续学习奠定理论基础。总结知识点，巩 固学生对静力学和 动力学相关知识的 印象 【学生】总结回顾知识点作业布置 (2 min )【教师】布置课后作业1 .课本上的思考与练习计算题第1题。2 .完成任务工单1-3【学生】完成课后任务复习巩固学到的 知识教学反思本节课中练习题安排得较少，以后应该更多地搜集相关练习题，让学生在课堂上完成举 一反三，更加直观地学习相关内容。