第二章 水力学实验

第一节 静水压强量测实验

一、实验目的和要求

（1）通过实验加深对水静力学基本方程物理意义的理解，观察测点的位置水头、压强水头及测压管水头。

（2）验证在静止液体中，不同点对于同一基准面的测压管水头为常数。

（3）分别量测当水箱内液面压强p₀>p_a、p₀<p_a（p_a为大气压强）时静止液体中A、B两点的压强值及p₀的压强值，分析测压管水头的变化规律。加深对绝对压强、相对压强和真空度的理解。

（4）测量其他液体的密度（设水的密度为已知）。

二、实验原理

在重力作用下，处于静止状态下不可压缩的均匀液体，其基本方程为

式中：z为液体相对于基准面的位置高度或称位置水头；为液体的压能水头或压强水头；p为静止液体中任意点的压强；ρ为水的密度；为测压管水头。

方程（2-1-1）水静力学基本方程的意义是：在重力作用下，同一种连通静止液体中，各点的测压管水头彼此相等。

静水压强方程也可以写成

式中：p₀为作用在液体上的表面压强；h为液面到液体中任一点的淹没深度。

方程（2-1-2）说明，在静止的液体中，任一点的静水压强p，等于表面压强p₀加上该点在液面下深度h与液体容重ρg的乘积之和。如果液面上的压强p₀不变，则任一点的静水压强只随深度而变，即该点在液面下越深，压强越大。

如果作用在液面上的是大气压强p_a，则式（2-1-2）可写为

式（2-1-3）说明当作用在液面上的压强为大气压强时，其静水压强等于大气压强p_a与液体的容重ρg和水深h乘积之和。这样所表示的一点压强叫绝对压强（当液面上压强不等于大气压强时以p₀表示）。绝对压强是以没有气体存在的绝对真空为零来计算的压强，如果以当地大气压强为零来计算的压强称为相对压强，表示为

相对压强也叫表压强，所以表压强是以大气压强为基准算起的压强，它表示一点的静水压强超过大气压强的数值。

如果某点的静水压强小于大气压强，我们说“这点具有真空”。其真空压强P_V的大小以标准大气压强和绝对压强之差来量度，即

当某点发生真空时，其相对压强必然为负，故把真空又称为负压，真空度也就等于相对压强的绝对值。

利用等压面和连通器原理，用测压管、U形管分别量测密闭水箱内液面上的压强。在压差相同的情况下，不同的液体对应不同的液柱高，用这个原理可求出待测液体的密度ρ_油。

三、实验设备

在一全透明密封有机玻璃箱内注水，并由一乳胶管将水箱与一可升降的调压筒相连，调压筒的顶部与大气连通。水箱顶部装有排气阀K₁，另从孔口K₂接出管子与测压排中的三个U形比压计中的测压管1、3、5相通，U形比压计1-2与水箱不连通，内装液体为油，ρ_油<ρ_水；U形比压计3-4、U形比压计5-6与水箱分别在测点A和B（底部）连通。从孔口K₃接出的管子插入另一容器中的染色水中。打开K₁时，水箱内液面压强为大气压强。当K₁关闭时，可通过升降调压筒调节水箱内液面压强，使它高于或者低于大气压强。设备如图2-1-1所示。

图2-1-1 静水压强实验仪

四、实验步骤

（1）将调压筒放置在适当高度，打开水箱顶部排气阀K₁，使水箱内的液面与大气相通，此时液面压强p₀=p_a。待水面稳定后，观察各测压管水面位置，找到等压面，以验证等压面原理。

（2）关闭水箱顶部排气阀K₁，将调压筒升至某一高度，此时水箱内液面压强p₀>p_a，观察各测点U形比压计的压差变化，等水面稳定后，记录各测压管读数。

（3）将调压筒继续升高，再做两次实验，并测记各测压管的液面标高。

（4）打开水箱顶部排气阀K₁，待液面稳定后再关闭（此时不要移动调压筒）。

（5）将调压筒降至某一高度，此时水箱内液面压强p₀<p_a，观察各测点U形比压计的压差变化，并测记各测压管的液面标高。

（6）将调压筒继续降低，再做两次实验，并测记各测压管的液面标高。

（7）打开开关K₃，可以看到容器中的染色水被吸至一个真空高度。

五、实验数据记录

仪器编号：____

有关常数：A点标高▽_A=____cm，B点标高▽_B=____cm，_ρ水=1.0×10^-3kg/cm³

六、实验数据处理及结果

七、注意事项

（1）升降调压筒时，应轻拉轻放。

（2）读取测压管液面标高读数时，一定要待液面稳定后再读，并注意使视线与液面最低点处于同一水平面上。

八、思考题

（1）液面标高▽₄ -▽₃与▽₆ -▽₅相等吗？为什么？

（2）调压筒的升降为什么能改变水箱内液面压强p₀？

（3）如何选取等压面？U形比压计1-2（装油）与U形比压计3-4（装水）中位于同一水平面上的液体测点压强是否相同？为什么？

（4）如果水箱和调压筒液面也有标尺显示，能否将U形比压计3-4和U形比压计5-6都省略？

九、讨论分析题

水箱内液面压强p₀的改变，基准面0-0线位置的改变，对A、B两点的位置水头与压强水头有什么影响？试分析讨论。