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物理實驗

白努利原理與文氏管

流體擠過變窄的管子:流速變快、壓力反而變低——壓力計直接顯示這個反直覺的事實。驗證 P+½ρv²=常數,理解機翼升力、曲球與浴簾往身上貼的共同原因。
t = 0.00 s

實驗數據

尚無記錄。調整參數、完成一次量測後,按「記錄本次數據」把結果存進表格。

實驗參數

體積流量 Q
喉部口徑比 A₂/A₁

即時量測

寬段流速 v₁
m/s
喉部流速 v₂=v₁·A₁/A₂
m/s
寬段壓力 P₁
kPa
喉部壓力 P₂
kPa
壓差 P₁−P₂(壓力計)
kPa
理論 ½ρ(v₂²−v₁²)
kPa

實驗任務

  1. 反直覺第一課:看兩支壓力計——流速快的喉部,水柱反而比較低! 直覺說「擠過窄處壓力大」,但白努利說:加速需要力, 力來自前後壓差,所以下游窄處壓力必須更低。
  2. 驗證平方律:固定口徑比,把 Q 從 1 調到 2、3、4 L/s,每次記錄壓差。 畫 ΔP 對 Q² 的圖——是一條過原點的直線嗎?(ΔP=½ρv₁²(1/r²−1),v₁∝Q。)
  3. 汽蝕的邊緣:把口徑比縮到 0.2、流量開到最大——喉部壓力掉到接近零, 出現汽蝕警告。真實的水在低壓處會「沸騰」出氣泡,氣泡崩潰會打壞船舶螺旋槳與水泵葉片。
  4. 生活中的白努利:機翼上方流速快→壓力低→升力; 投手的曲球(馬格努斯力);洗澡時浴簾往身上貼;兩艘並行的船會互相吸近。 每個都畫個示意圖解釋給同學聽。

模型與假設

模型:不可壓縮穩定流——連續方程 A₁v₁=A₂v₂=Q; 白努利 P+½ρv²=P₀(沿水平流線,總壓 P₀=28 kPa 表壓)。水 ρ=1000 kg/m³、A₁=20 cm²。 壓力計水柱高 ∝ 該處靜壓。
假設:無黏滯損失(真實文氏管下游會有少量壓力無法恢復)、不可壓縮、 流線水平(忽略高度項 ρgh);喉部壓力 ≤0 時顯示汽蝕警告(模型失效區)。