流體動力學藥用物理學課件

物理學(Physics)物質(zhì)結(jié)構(gòu)物質(zhì)相互作用物質(zhì)運動規(guī)律物理學是研究自然界基本規(guī)律的科學?！拔铩敝肝镔|(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，“理”指物質(zhì)的運動、變化規(guī)律。現(xiàn)代觀點認為物理學主要研究物質(zhì)和運動，或物質(zhì)世界及其各部分之間的相互作用，或物質(zhì)的基本組成及它們的相互作用。緒論一、物理學及其研究對象基本運動形態(tài)：

機械運動（力學）；電磁運動（電磁學）；熱運動（熱學）；微觀粒子運動（量子力學）。

它們是生命、遺傳、思維等更高級運動的基礎(chǔ)。緒論（1）牛頓力學或經(jīng)典力學研究物體的機械運動。（2）熱力學研究溫度、熱、能量守恒以及熵原理等。（3）電磁學研究電、磁以及電磁輻射。（4）相對論研究高速運動、引力、時間和空間等。（5）量子力學研究微觀世界。物理學的發(fā)展歷史（五大基本理論）緒論第一節(jié)描述流體運動的基本概念牛頓

IsaacNewton1642-1727第三節(jié)實際流體的運動（1）牛頓力學或經(jīng)典力學研究物體的機械運動?！耠姶艑W(Electromagnetism)泊肅葉定律斯托克斯定律學習時不要拘泥于一本教材，還應(yīng)閱讀必要的參考書。稱為沿y方向(與流速方向垂直)的速率梯度.第二節(jié)伯努利方程及其應(yīng)用重度單位為牛頓·米－3(N·m－3)樹立正確的世界觀,培養(yǎng)崇高科學精神。第二節(jié)伯努利方程及其應(yīng)用第三節(jié)實際流體的運動微觀粒子運動（量子力學）。如何思考事物，做出判斷，如何區(qū)別真?zhèn)魏捅砻娆F(xiàn)象。物理學的發(fā)展歷史（五大基本理論）●牛頓經(jīng)典力學理論(Mechanics)17世紀伽利略、開普勒、牛頓研究物體機械運動的基本規(guī)律及關(guān)于時空相對性的規(guī)律開普勒

JohannesKepler(1571-1630)牛頓

IsaacNewton1642-1727伽利略（GalileoGalilei，1564-1642）緒論現(xiàn)代意義下的物理學的誕生始于17世紀后半葉。伽利略、開普勒等科學家為經(jīng)典力學和天體力學所作的奠基性貢獻，揭開了人類對自然界進行科學探索的嶄新篇章。愛因斯坦在《物理學的進化》中評論說“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的可行的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學的真正開端?！迸ｎD在他們工作的基礎(chǔ)上建立了完整的經(jīng)典力學理論，特別是1687年發(fā)表了《自然哲學的數(shù)學原理》，標志著經(jīng)典力學大廈的建成。緒論●熱力學(Thermodynamics)18-19世紀卡特、焦耳、開爾文、卡諾研究物質(zhì)熱運動的統(tǒng)計規(guī)律及其宏觀表現(xiàn)，建立了宏觀的熱力學理論。玻爾茲曼、克勞修斯、吉布斯等建立了說明熱現(xiàn)象的氣體分子動力理論即統(tǒng)計物理學（分子物理學）。緒論●電磁學(Electromagnetism)18-19世紀庫侖、法拉第、麥克斯韋、赫茲等研究電磁現(xiàn)象、物質(zhì)的電磁運動規(guī)律及電磁輻射等規(guī)律，建立完備的電磁學理論。麥克斯韋(1831-1879)庫侖

(1736.6~1806.8)赫茲(1857～1894)緒論至此，以牛頓定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學、熱力學與統(tǒng)計物理、電磁學構(gòu)成了經(jīng)典物理學的宏偉大廈。但是……

19世紀和20世紀之交，物理學界的三大發(fā)現(xiàn)倫琴發(fā)現(xiàn)X射線，湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子，貝可勒爾發(fā)現(xiàn)放射性。以及著名的兩朵烏云麥克爾遜-莫雷實驗的零結(jié)果熱輻射實驗的紫外災難一系列與經(jīng)典物理的預言極不相容的事實緒論●相對論(Relativity)

愛因斯坦于1905年提出了狹義相對論，1915年提出了廣義相對論研究物體的高速運動效應(yīng)以及相關(guān)的動力學規(guī)律●量子力學(Quantummechanics)20世紀普朗克、玻爾、薛定諤、海森堡、狄拉克

研究微觀物質(zhì)運動現(xiàn)象以及基本運動規(guī)律緒論物理學的研究范圍E-15E-12E-09E-06E-031mE+03E+06E+09E+12E+15E+18E+21E+24E+27上窮碧落下黃泉，兩處茫茫都可見！原子太陽高山太陽系最近恒星的距離銀河系超星系團星系團哈勃半徑DNA長度最小的細胞人類原子核粒子緒論二、物理學與技術(shù)進步、生產(chǎn)實踐的關(guān)系（3）物理學突破導致技術(shù)和生產(chǎn)力大飛躍。（1）物理學廣泛應(yīng)用,體現(xiàn)了物理規(guī)律普適性。（2）物理學是自然科學的基礎(chǔ),技術(shù)革命的源泉。緒論三、物理學的研究與學習方法

物理學是整個自然科學的基礎(chǔ)．對于任何專業(yè)，大學基礎(chǔ)物理課的目的，都是使學生對物理學的內(nèi)容和方法，工作語言、概念和物理圖象，其歷史、現(xiàn)狀和前沿等方面，從整體上有個全面的了解．這是一門培養(yǎng)和提高學生科學素質(zhì)、科學思維方法和科學研究能力的重要基礎(chǔ)課。緒論

力圖把傳授知識、思想、方法三者放在同等重要的地位。加強對科學思維方式、自學能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。學習時不要拘泥于一本教材，還應(yīng)閱讀必要的參考書。要學好物理學還必須重視物理實驗，學會使用儀器，掌握一些測量技能。希望通過本課程的學習，同學們不僅掌握必要的物理知識，還能提高科技素養(yǎng)。樹立正確的世界觀,培養(yǎng)崇高科學精神。使用教材：《藥用物理學》江西高校出版社，章新友主編。緒論怎樣學習物理學著名物理學家費曼說：科學是一種方法。它教導人們：一些事物是怎樣被了解的，什么事情是已知的，現(xiàn)在了解到了什么程度，如何對待疑問和不確定性，證據(jù)服從什么法則；如何思考事物，做出判斷，如何區(qū)別真?zhèn)魏捅砻娆F(xiàn)象。著名物理學家愛因斯坦說：

發(fā)展獨立思考和獨立判斷地一般能力，應(yīng)當始終放在首位，而不應(yīng)當把專業(yè)知識放在首位。如果一個人掌握了他的學科的基礎(chǔ)理論，并且學會了獨立思考和工作，他必定會找到自己的道路，而且比起那種主要以獲得細節(jié)知識為其培訓內(nèi)容的人來，他一定會更好地適應(yīng)進步和變化。重點教學內(nèi)容

重點學習第二章流體動力學，第三章分子物理學，第四章靜電場，第六章電磁現(xiàn)象，第八章波動光學，第九章藥用光學儀器的基本原理（選講）。教學環(huán)節(jié)授課；習題課；討論課；演示實驗。實驗通過《物理學實驗》課學習。

自學,做階段總結(jié)，寫心得體會。教學安排：理論課＋實驗課（詳見教學日歷）1、平時作業(yè)、考勤、實驗占30％2、期末考試占70％考核方式：

幾點要求：

1.從提升自身科學素養(yǎng)的目標出發(fā)，快樂學習！

2.認真對待每一堂課，課前預習，課后習題，做到學有所得。

3.適當閱讀一些參考書，更廣泛了解相關(guān)知識。

4.實驗課前完成預習報告，預備知識物理學中,為了方便描述各物理量,常常選擇一些物理量作為基本量.在國際單位制中,七個基本量及其單位：長度(m),質(zhì)量(kg),時間(s)，電流強度（A），熱力學溫標（K），物質(zhì)的量（mol）,發(fā)光強度（cd）

導出量：由基本單位導出的量,如速度、力、加速度等.

量綱式：表示一個物理量的單位與基本量單位關(guān)系的式子.三個力學基本量的量綱分別為L,M,T.1單位與量綱雷諾(OsborneReynolds1842-1912)英國力學家、物理學家、工程師.●電磁學(Electromagnetism)如圖所示為三條坐標軸(x軸、y軸、z軸)相互垂直的直角坐標系.認真對待每一堂課，課前預習，課后習題，做到學有所得。高爾夫球表面光滑還是粗糙？●熱力學(Thermodynamics)（4）相對論研究高速運動、引力、時間和空間等。第三節(jié)實際流體的運動氣體與液體沒有一定的形狀,各部分之間極易發(fā)生相對運動,具有流動性,因而被統(tǒng)稱為流體.第三節(jié)實際流體的運動第二節(jié)伯努利方程及其應(yīng)用流體的重度：流體單位體積內(nèi)的重量v1ΔS1=v2ΔS2第二節(jié)伯努利方程及其應(yīng)用只在穩(wěn)定流動情況下，它才與各處質(zhì)元運動軌跡重合；如,力的量綱為：量綱的意義：獲取導出量與基本量之間的關(guān)系；檢驗公式的正確性；進行單位換算或確定比例系數(shù)的單位等.加速度的量綱為：速度的量綱為：物理量(physicalquantity)描寫物理事件的量稱為物理量.

常用的物理量：標量(scalar)：只有大小沒有方向的物理量,如溫度、能量、質(zhì)量；矢量(vector)：既有大小又有方向且只有一個方向的物理量,如速度、加速度；張量(tensor)：既有大小又有方向,并且不止一個方向的物理量,方向個數(shù)稱為張量的階.

2物理量及其表述

質(zhì)點(masspoint)

任何物體都有一定的大小和形狀,但當物體的大小和形狀在所描寫的運動中所起的作用可以忽略不計時,我們就把它看作是一個只有質(zhì)量而沒有大小和形狀的點,稱為質(zhì)點.坐標系(coordinatesystem)

描述一個物體的運動需要另一個物體作為參考,這個被選定的參考物體稱為參考系.為了定量地描寫物體運動的位置以及位置隨時間的變化,在三維空間中,需要標出三個獨立的量來唯一地確定一點的位置.如圖所示為三條坐標軸(x軸、y軸、z軸)相互垂直的直角坐標系.OyxzP(x,y,z)矢量及其運算

矢量的表示：用上方帶有箭頭的字母或黑體字表示.

矢量的加法：兩矢量和仍為一矢量,即

矢量的減法：

矢量的加減法服從平行四邊形法則和三角形法則.

平行四邊形法則和三角形法則當兩矢量同向時,點積結(jié)果數(shù)值最大；當兩矢量反向時,點積結(jié)果數(shù)值最??；當兩矢量垂直時,點積結(jié)果為0.

矢量的標積(點積)——矢量A在矢量B上的投影與矢量B大小的乘積,即矢量的乘法：標積(點積)和矢積(叉積)

矢量的矢積(叉積)——結(jié)果仍為一矢量,大小等于

C=ABsin,方向垂直于矢量A與B構(gòu)成的平面,并服從右手螺旋法則,即當兩個矢量平行時,叉積結(jié)果為零；當兩個矢量垂直時,叉積結(jié)果最大.

根據(jù)叉積運算定義,可以得到如下結(jié)果：質(zhì)點在t時間內(nèi)所發(fā)生的位移與時間的比值叫做質(zhì)點在這段時間內(nèi)的平均速度(meanvelocity),即質(zhì)點在t時間內(nèi)所走過的路程s與t的比值稱為質(zhì)點在這段時間內(nèi)的平均速率(meanspeed),即

微積分瞬時速度(instantaneousvelocity)

：平均速度的極限,即速率(speed)

：速度的大小,即積分f(x)xxx+ΔxΔS=Δx·f(x)小貝的香蕉球動物與流線型高爾夫球表面光滑還是粗糙？高爾夫球運動起源于15世紀的蘇格蘭,當時人們認為表面光滑的球飛行阻力小,因此用皮革制球.

后來發(fā)現(xiàn)表面有很多劃痕的舊球反而飛得更遠,這個謎直到20世紀建立流體力學邊界層理論才得以解開.

現(xiàn)代高爾夫球早期高爾夫球第二章流體動力學第二章流體動力學流體運動的基本概念1伯努利方程及應(yīng)用2實際流體的運動3泊肅葉定律斯托克斯定律34第一節(jié)流體運動的基本概念氣體與液體沒有一定的形狀,各部分之間極易發(fā)生相對運動,具有流動性,因而被統(tǒng)稱為流體.流體的特性：流動性、連續(xù)性、黏滯性、可壓縮性一、理想流體

黏滯性實際流體流動時,速度不同的層與層之間存在阻礙相對運動的內(nèi)摩擦力,流體的這種性質(zhì)稱為流體的黏滯性.流速大的一層給流速小的一層以拉力,流速小的一層給流速大的一層以阻力.流體的黏滯性第一節(jié)流體運動的基本概念理想流體：絕對不可壓縮又完全沒有黏滯性的流體流體的重度：流體單位體積內(nèi)的重量流體的密度：流體單位體積內(nèi)的質(zhì)量密度單位為千克·米－3

(kg·m－3)重度單位為牛頓·米－3(N·m－3)第一節(jié)流體運動的基本概念二、理想流體的穩(wěn)定流動、流線和流管穩(wěn)定流動：流體流過的區(qū)域內(nèi)，各點上的流速都不隨時間而變化的流動狀態(tài)。

流線

在流場中畫出的一些曲線,曲線上任意一點的切線方向,與流過該點流體速度方向一致.流線

第一節(jié)流體運動的基本概念

流體流過不同形狀障礙物的流線注意！流線是同一時刻沿許多質(zhì)元流速方向描繪出的曲線，而不是在一段時間內(nèi)某一個流體質(zhì)元的運動軌跡；只在穩(wěn)定流動情況下，它才與各處質(zhì)元運動軌跡重合；在任一時刻任何兩條流線不會相交。第一節(jié)描述流體運動的基本概念在流體流過的空間，劃出一個任意橫截面S，通過它四周的許多流線所圍成的管狀區(qū)域流管穩(wěn)定流動時：流線不隨時間改變,不同時刻的流線不相交;流管形狀也不隨時間改變,流管內(nèi)的流體不會流出到管外,流管外的流體不會流入到管內(nèi).流管第一節(jié)流體運動的基本概念三、不可壓縮流體的連續(xù)性方程連續(xù)性方程推導其中Q

m稱為質(zhì)量流量,此式稱為定常流動的連續(xù)性方程,也稱為質(zhì)量流量守恒定律.第一節(jié)流體運動的基本概念對于不可壓縮流體,

為常量,則有

v1ΔS1=

v2Δ

S2

Q

v=

v

Δ

S=恒量

式中Q

v稱為體積流量.該式稱為體積流量守恒定律.

Q

g=

γv

Δ

S=恒量

式中Q

g稱為重量流量.該式稱為重量流量守恒定律.

由連續(xù)性方程可知:

(1)不可壓縮流體穩(wěn)定流動時,流管的任一垂直截面積與該處的平均流速的乘積為一恒量.(2)同一流管,截面積較大處流速小;截面積較小處流速較大.第一節(jié)流體運動的基本概念動脈系統(tǒng)毛細管系統(tǒng)靜脈系統(tǒng)心臟

人體血液循環(huán)示意圖

血液循環(huán)血液流速與血管總截面積的關(guān)系第一節(jié)流體運動的基本概念第二節(jié)伯努利方程及其應(yīng)用1738年伯努利(D.Bernoulli)出版《流體動力學》，提出了著名的伯努利方程.丹·伯努利(DanielBernoull,1700-1782)瑞士科學家.第二節(jié)伯努利方程及其應(yīng)用一、伯努力方程壓力所做的功：功能原理：第二節(jié)伯努利方程及其應(yīng)用例：在一樓水管的某截面處,水流的速度為2.0m/s，壓強為3.5×105Pa,管的內(nèi)徑為20mm,水沿水管流到三樓某一截面時,管的內(nèi)徑為10mm,此截面比一樓的那個截面高10m,求該截面處的流速和壓強.伯努力方程與連續(xù)性方程聯(lián)合運用,可以解決流體流動的許多實際問題.解：沿水管內(nèi)壁取一流管,第一截面選在一樓某截面處,用S1表示,該處流速為v1=2.0m/s,壓強為p1=3.5×105Pa,管徑為d1=20mm,高度為h1=0.第二截面選在三樓的某截面處,用S2表示,其內(nèi)徑為d2=10mm,高度為h2=10m.第二節(jié)伯努利方程及其應(yīng)用根據(jù)伯努力方程有解：根據(jù)連續(xù)性方程:

得得1.空吸作用SASBSC*應(yīng)用：噴霧器、水流抽氣機等。*當B處流速很大時,B處的壓強很小,以至于小于大氣壓時,容器中的液體因受到大氣壓的作用吸到B處被水平管中的流體帶走。——空吸作用由于：\第二節(jié)伯努利方程及其應(yīng)用二、伯努利方程的應(yīng)用

地鐵安全線

水流抽氣機原理伯努利管第二節(jié)理想流體的伯努利方程及其應(yīng)用

香蕉球原理只平動(向下)只旋轉(zhuǎn)平動加旋轉(zhuǎn)第二節(jié)理想流體的伯努利方程及其應(yīng)用

流速與高度的關(guān)系在自然界、工程技術(shù)和我們的日常生活中,存在著許多與容器排水相關(guān)的問題,如水庫放水(瀉洪與發(fā)電)、水塔經(jīng)管道向城市供水及用吊瓶給患者輸液等,其共同的特點是液體從大容器經(jīng)小孔流出.

水庫大壩

水電站第二節(jié)理想流體的伯努利方程及其應(yīng)用小孔流速

第二節(jié)理想流體的伯努利方程及其應(yīng)用2.流量計（汾丘里流量計）hS112S2聯(lián)立可得第二節(jié)伯努利方程及其應(yīng)用3.流速計BAh1h2v①液體流速測量第二節(jié)伯努利方程及其應(yīng)用②氣體流速測量皮托管

hAB第二節(jié)伯努利方程及其應(yīng)用壓強與高度的關(guān)系若流管中流體的流速不變或流速的改變可以忽略時,伯努利方程可以直接寫成或第二節(jié)伯努利方程及其應(yīng)用4.體位對血壓的影響(低位血壓高，高位血壓低)第二節(jié)伯努利方程及其應(yīng)用

層流一.實際流體的黏滯性、動力黏度

甘油緩慢流動管內(nèi)甘油的流動是分層的,這種流動稱為層流(laminarflow).層流示意圖第三節(jié)實際流體的運動流體層流時,流動穩(wěn)定,相鄰各層以不同的速度作相對運動,彼此不相混合.

這對作用力為流體的內(nèi)摩擦力,也稱為黏性力.流體的黏性力第三節(jié)實際流體的運動

牛頓黏滯定律黏度黏性流體作層流時,速度的逐層變化可以用速度梯度來定量表示.相距y的兩流層的速率差為v,則

表示這兩層之間的速率變化率.稱為沿y方向(與流速方向垂直)的速率梯度.第三節(jié)實際流體的運動第三節(jié)實際流體的運動二、實際流體的伯努利方程

稱為損失壓頭，表示單位重量的實際流體在流動過程中克服阻力所作的功循環(huán)系統(tǒng)各類血管中的血壓第三節(jié)實際流體的運動三、片流、湍流、雷諾數(shù)雷諾實驗裝置小流量第三節(jié)實際流體的運動中流量雷諾實驗裝置第三節(jié)實際流體的運動雷諾實驗裝置大流量第三節(jié)實際流體的運動

湍流黏性流體作層流時,層與層之間僅作相對滑動而不混合.但當流速逐漸增大到某種程度時,層流的狀態(tài)就會被破壞,出現(xiàn)各流層相互混淆,外層的流體粒子不斷卷入內(nèi)層,流動顯得雜亂而不穩(wěn)定,甚至會出現(xiàn)渦旋,這種流動稱為湍流(turbulentflow).

核爆蘑菇云火山爆發(fā)第三節(jié)實際流體的運動

雷諾系數(shù)雷諾(O·Reynolds)最早對湍流現(xiàn)象進行系統(tǒng)研究,

1883年他通過大量的實驗,證實了流體在自然界存在兩種迥然不同的流態(tài),層流和湍流.雷諾

(OsborneReynolds1842-1912)英國力學家、物理學家、工程師.第三節(jié)實際流體的運動雷諾在實驗中發(fā)現(xiàn),玻璃直圓管道中的黏性液體,其流動狀態(tài)是層流還是湍流主要取決于比例系數(shù)(后人稱之為雷諾數(shù),Reynoldsnumber)Re的大小.式中

液體的密度,d為管道的特征長度,

v是液體的平均流速,

是液體的黏性系數(shù).第三節(jié)實際流體的運動雷諾數(shù)是一個無量綱的純數(shù),它是鑒別黏性流體流動狀態(tài)的唯一的一個參數(shù).

實驗表明,對于剛性直圓管道中的黏性流體:

Re＜2000時,流體作層流;

Re＞3000時,流體作湍流;2000＜Re＜3000時,流體可作層流,也可作湍流,稱為過渡流.煙縷由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?/p>

第三節(jié)實際流體的運動Re

<<1

Re=1.54Re>9.6Re=2000

不同雷諾數(shù)的圓柱繞流流場第三節(jié)實際流體的運動

飛機的風洞實驗汽車的風洞實驗

運動員在進行風洞實驗第三節(jié)實際流體的運動袖帶法測量血壓原理第三節(jié)實際流體的運動四、泊肅葉定律、斯托克斯定律細流管中的總流量與流體的動力黏度成反比，與管的長度成反比，與管梁端的壓強差成正比，與管子半徑的四次方成正比。泊肅葉定律第三節(jié)實際流體的運動泊肅葉定律的推導第三節(jié)實際流體的運動邊界條件：計算管中的流量：第三節(jié)實際流體的運動不同流阻的管道串聯(lián)不同流阻的管道并聯(lián)流阻第三節(jié)實際流體的運動奧氏黏度計比較法：第三節(jié)實際流體的運動后來發(fā)現(xiàn)表面有很多劃痕的舊球反而飛得更遠,這個謎直到20世紀建立流體力學邊界層理論才得以解開.伯努力方程與連續(xù)性方程聯(lián)合運用,可以解決流體流動的許多實際問題.（4）相對論研究高速運動、引力、時間和空間等。但當流速逐漸增大到某種程度時,層流的狀態(tài)就會被破壞,出現(xiàn)各流層相互混淆,外層的流體粒子不斷卷入內(nèi)層,流動顯得雜亂而不穩(wěn)定,甚至會出現(xiàn)渦旋,這種流動稱為湍流(turbulentflow).第三節(jié)實際流體的運動第三節(jié)實際流體的運動矢量的加法：兩矢量和仍為一矢量,即第二節(jié)伯努利方程及其應(yīng)用氣體與液體沒有一定的形狀,各部分之間極易發(fā)生相對運動,具有流動性,因而被統(tǒng)稱為流體.（4）相對論研究高速運動、引力、時間和空間等。實驗通過《物理學實驗》課學習。開普勒

JohannesKepler(1571-1630)稱為損失壓頭，表示單位重量的實際流體在流動基本運動形態(tài)：

機械運動（力學）；矢量的加法：兩矢量和仍為一矢量,即斯托克斯阻力公式1851年斯托克斯研究了小球在粘性很大的液體中緩慢運動時所受到的阻力問題,給出計算阻力的公式斯托克斯

(G.G.Stokes,1819-1903)英國力學家、數(shù)學家.第三節(jié)實際流體的運動若小球的密度為

,流體的密度為

′

,則小球所受的重力為

,浮力為

,黏性摩擦阻力為

6rvT,小球達到終極速度時,三力平衡,有

終極速度第三節(jié)實際流體的運動離心分離用代替g第三節(jié)實際流體的運動基本運動形態(tài)：

機械運動（力學）；電磁運動（電磁學）；熱運動（熱學）；微