《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）

设计液压千斤顶——流体力学基础知识

（一）课题课时2课时90min知识技能目标

1.掌握液体静力学基础教学目标

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点液体静力学基础和动力学基础教学重难点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、教材第1节课课前任务一考勤（2min）一任务导入（8min）一传授新知（35min）教学设计第2节课问题导入（5min）一传授新知（30min）一知识拓展（5min）一课堂小结（3min）一作业布置（2min）教学过程主要教学内容及步骤设计意图第一节课■【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，完成课前任务通过课前的预热，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让学生了解本次课所任务，要求能举起2t重的汽车现在厂内有一批液压缸库存，大液压课前任务学课程的大概内容，缸内径D为100mm，小液压缸的内径d为3mm李明想充分利用库o激发学生的学习欲望存来设计液压缸，他应该怎么办呢■【学生】完成课前任务■【教师】使用文旌课堂APP,让学生登录签到培养学生的组织纪考勤律性，掌握学生的出2min■【学生】使用文旌课堂APP签到勤情况■【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通过互动导入，弓1任务导入导学生思考，调动学生■【学生】聆听、思考.回答（）8min的主观能动性，激发■【教师】总结学生的回答学生的学习兴趣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传授新知■【教师】介绍工程实际和生活中的液体流动和振动现象，导入知通过老师的讲解，（）使学生掌握液体静35min识在工程实际中，液压泵的安装位置离油箱中的液面有一定的高度要力学基础和动力学求，那么要如何确定泵的安装高度呢？在日常生活中，当我们开大水龙基础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某点处压力p定义为p=lim—M3帛14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=-144A■【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

①液体静压力沿法线方向，垂直于承压面

②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1-7a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1-7b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（1」6）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）我笈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1at=

9.8xl04N/m2^105Pa=

0.1MPa■【学生】聆听.理解、记忆

4.帕斯卡原理-jfrCLs51£vs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1・2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=15mm……（详见教材）■【学生】聆听、理解、思考第二节课在液压传动中，液压油总是不断流动着的，因此研究液体运动时的问题导入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、流动通过询问问题，让（）5min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学生思考液体动力学呢？对液压传动的重要性

二、液体动力学基础通过讲解，让学生

1.液体动力学的基本概念传授新知了解液体动力学基1）理想液体、恒定流动和一维流动（）30min础，包括基本概念和理想液体是一种假想的无黏性、不可压缩的液体，而实际的液体既三种方程等有黏性又可压缩恒定流动是指液体流动时，……（详见教材）一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）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）■【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12）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……（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■【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、回答知识拓展通过拓展知识的讲■【教师】拓展讲解（）5min解，丰富学生的认知根据流体流速与压强的关系，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■【教师】简要总结本节课的要点课堂小结总结知识点，巩固（）3min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学生对静力学和动力节的知识，为后续学习奠定理论基础学相关知识的印象■【学生】总结回顾知识点■【教师】布置课后作业

1.课本上的〃思考与练习〃计算题第1题复习巩固学到的知作业布置2min

2.完成〃任务工单1-3〃识■【学生】完成课后任务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教学反思三，更加直观地学习相关内容。