山东农业大学：机械工程实验教学中心《食品工程原理》课程实验指导（共九个实验）

食品工程原理实验主编：郭清南不山东农业大学机械与电子工程学院

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目录实验注意事项23第一章实验基础知识3一、食品工程原理实验教学的目的3二、食品工程原理实验要求4三、食品工程原理实验数据的处理方法第二 章实验内容66实验一静力学方程实验11实验二伯努利方程实验15实验三雷诺实验实验四17管路阻力的测定实验21实验五泵的性能测定实验25实验六风机的性能测定实验27实验七压滤机过滤常数的测定实验30实验八传热实验实验九干燥实验331PDF文件使用"pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn

1 目 录 实验注意事项 2 第一章 实验基础知识 3 一、食品工程原理实验教学的目的 3 二、食品工程原理实验要求 3 三、食品工程原理实验数据的处理方法 4 第二 章 实验内容 6 实验一 静力学方程实验 6 实验二 伯努利方程实验 11 实验三 雷诺实验 15 实验四 管路阻力的测定实验 17 实验五 泵的性能测定实验 21 实验六 风机的性能测定实验 25 实验七 压滤机过滤常数的测定实验 27 实验八 传热实验 30 实验九 干燥实验 33 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn

实验注意事项1.按时进入实验室进行实验，不得有迟到和早退现象。2.仪器、设备安装完毕或者连接好电线之后，必须经教师检查确认无误之后，才能接通电源开始实验。3.一定要按实验指导书或仪器设备的使用说明书的规定使用仪器设备，或者按照教师示范的方法进行操作，以免产生不良后果。未经教师允许，不得擅自改变操作方法。实验中，仪器设备出现故障应及时报告教师，在教师的指导下进行处理。4.仪器、设备一般都应在达到规定的稳定状态范围后才进入实验测定阶段。因此，要注意实验数据记录应及时、准确、完整、整齐。全部数据应记录在预先准备好的表格内，不得随意乱记，以免遗漏或记错。5.注意节约水电、爱护国家资产。不得乱动与本实验无关的电源开关、仪器设备等。仪器设备出现损坏时，应及时报告实验指导教师，进行登记，按有关规定处理。6.实验室内严禁吸烟、吃零食、大声喧哗及打闹等，违者按破坏课堂纪律处理。7.在实验的进行过程中，要随时注意排除危及人身和财产安全的事故隐患，防止触电、失火、机械碰撞、烧毁电机、损伤身体等事故的发生。8.每次实验完毕，将所用仪器设备擦洗干净、整理复原、排放整齐，并把室内打扫干净。2PDF文件使用“pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn

2 实验注意事项 ⒈ 按时进入实验室进行实验，不得有迟到和早退现象。 ⒉ 仪器、设备安装完毕或者连接好电线之后，必须经教师检查确 认无误之后，才能接通电源开始实验。 ⒊ 一定要按实验指导书或仪器设备的使用说明书的规定使用仪 器设备，或者按照教师示范的方法进行操作，以免产生不良后果。未 经教师允许，不得擅自改变操作方法。实验中，仪器设备出现故障应 及时报告教师，在教师的指导下进行处理。 ⒋ 仪器、设备一般都应在达到规定的稳定状态范围后才进入实验 测定阶段。因此，要注意实验数据记录应及时、准确、完整、整齐。 全部数据应记录在预先准备好的表格内，不得随意乱记，以免遗漏或 记错。 ⒌ 注意节约水电、爱护国家资产。不得乱动与本实验无关的电源 开关、仪器设备等。仪器设备出现损坏时，应及时报告实验指导教师， 进行登记，按有关规定处理。 ⒍ 实验室内严禁吸烟、吃零食、大声喧哗及打闹等，违者按破坏 课堂纪律处理。 ⒎ 在实验的进行过程中，要随时注意排除危及人身和财产安全的 事故隐患，防止触电、失火、机械碰撞、烧毁电机、损伤身体等事故 的发生。 ⒏ 每次实验完毕，将所用仪器设备擦洗干净、整理复原、排放整 齐，并把室内打扫干净。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn

第一章实验基础一、食品工程原理实验教学的目的。食品工程原理是应用自然科学的基础理论来分析和解决食品生产过程中实际工程问题的一门技术基础课，因而具有很强的理论性和实践性。食品工程原理实验教学是食品工程原理整个教学过程中的一个重要的实践环节。其主要目的为：（一）学习和了解食品工程原理的实验研究方法，掌握食品工程原理实验中的主要实验技能，巩固前修基础实验课所学技能。通过让学生自学相关资料、根据所学原理设计实验方案、独立选择和使用各种仪器设备等活动，培养学生的自学能力和实际动手能力。（）通过观察实验现象、正确记录数据、科学分析处理和表达数据、运用前修理论和实验课所学知识，综合判断实验结果的可靠性及分析主要误差来源等活动，培养学生的逻辑思维能力、分析问题和解决问题的能力等。（）在验证食品工程原理的主要理论，巩固和加深对所学理论理解的同时，使学生的科研能力得到初步训练。(四培养学生严肃、认真的科学态度和严格细致的工作作风。二、食品工程原理实验要求。实验教学过程主要包括实验前的准备、组织实施实验、数据的测读与记录和编写实验报告等四部分内容。对各部分内容具体提出如下的说明和要求（一）准备实验。1.实验前做好预习。仔细阅读理论教材的有关章节、实验教材的相关内容、所用仪器设备的使用说明书、相关参考书籍及资料等，弄清实验目的和要求；2.弄懂实验原理。掌握实验所依据的基本理论，并在基本理论的指导下弄清待测物理量及各物理量间的依存规律、基本公式及各量的物理意义和单位：3.弄清所用仪器设备的构造、工作性能、安装调试及操作使用方法：4.在此基础上制定出最佳实验方案、设计出记录原始数据的表格、掌握实验条件和操作要点：5.未作预习的学生不得进行实验。（）组织实施实验。1.食品工程原理实验多是由若干人合作完成的，因此必须做好组织工作。按实验要求划分的实验小组要有一个组长负责实验方案执行的组织指挥。组员既有明确分工，又应服从统一指挥，做到相互协作，彼此要进行必要的轮换，以便得到全面训练；2.实验时要认真操作，严格控制实验条件，仔细观察实验现象。）实验数据的测读与记录。1.凡是与实验结果直接相关的数据，如大气压、水温、气温、设备的有关尺寸、物料的物理性质等，必须一一测取，不得遗漏。2.凡是可从手册查取的数据或由已测定的量导出的数据不比直接测定。例如水的粘度、密度等物理量，只要测知水温即可查出；3.所有数据都应在操作条件和实验现象达到稳定状态后读取。这是因为仪表存在滞后特性，条件改变后现象随条件的改变也存在滞后性，即存在着由不稳定状态向稳定状态过渡的3PDF文件使用“pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn

3 第一章 实验基础 一、食品工程原理实验教学的目的。 食品工程原理是应用自然科学的基础理论来分析和解决食品生产过程中实际工程问题的 一门技术基础课，因而具有很强的理论性和实践性。食品工程原理实验教学是食品工程原理 整个教学过程中的一个重要的实践环节。其主要目的为： ㈠ 学习和了解食品工程原理的实验研究方法，掌握食品工程原理实验中的主要实验技 能，巩固前修基础实验课所学技能。通过让学生自学相关资料、根据所学原理设计实验方案、 独立选择和使用各种仪器设备等活动，培养学生的自学能力和实际动手能力 。 ㈡ 通过观察实验现象、正确记录数据、科学分析处理和表达数据、运用前修理论和实验 课所学知识，综合判断实验结果的可靠性及分析主要误差来源等活动，培养学生的逻辑思维 能力、分析问题和解决问题的能力等。 ㈢ 在验证食品工程原理的主要理论，巩固和加深对所学理论理解的同时，使学生的科研 能力得到初步训练。 ㈣ 培养学生严肃、认真的科学态度和严格细致的工作作风。 二、食品工程原理实验要求。 实验教学过程主要包括实验前的准备、组织实施实验、数据的测读与记录和编写实验报 告等四部分内容。对各部分内容具体提出如下的说明和要求： ㈠ 准备实验。 ⒈ 实验前做好预习。仔细阅读理论教材的有关章节、实验教材的相关内容、所用仪器设 备的使用说明书、相关参考书籍及资料等，弄清实验目的和要求； ⒉ 弄懂实验原理。掌握实验所依据的基本理论，并在基本理论的指导下弄清待测物理量 及各物理量间的依存规律、基本公式及各量的物理意义和单位； ⒊ 弄清所用仪器设备的构造、工作性能、安装调试及操作使用方法； ⒋ 在此基础上制定出最佳实验方案、设计出记录原始数据的表格、掌握实验条件和操作 要点； ⒌ 未作预习的学生不得进行实验。 ㈡ 组织实施实验。 ⒈ 食品工程原理实验多是由若干人合作完成的，因此必须做好组织工作。按实验要求划 分的实验小组要有一个组长负责实验方案执行的组织指挥。组员既有明确分工，又应服从统 一指挥，做到相互协作，彼此要进行必要的轮换，以便得到全面训练； ⒉ 实验时要认真操作，严格控制实验条件，仔细观察实验现象。 ㈢ 实验数据的测读与记录。 ⒈ 凡是与实验结果直接相关的数据，如大气压、水温、气温、设备的有关尺寸、物料的 物理性质等，必须一一测取，不得遗漏。 ⒉ 凡是可从手册查取的数据或由已测定的量导出的数据不比直接测定。例如水的粘度、 密度等物理量，只要测知水温即可查出； ⒊ 所有数据都应在操作条件和实验现象达到稳定状态后读取。这是因为仪表存在滞后特 性，条件改变后现象随条件的改变也存在滞后性，即存在着由不稳定状态向稳定状态过渡的 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn

时段，因此在不稳定状态下读取的数据是不可靠的，由不可靠的数据所得出的结论必然是错误的：4.同一条件下至少要读取两次数据，且当两次数据相近时才记录。数据必须记录在预先拟好的记录表格内，不得随意乱记。记录时要注意各数据的单位5.数据记录必须真实地反映仪表的精确度，一般记录至仪表上最小分度的下一位数，因而数据的末位都是估计数字；6.实验中，如果出现不正常现象，数据有明显偏差时，应在备注中注明：7.原始记录数据必须经指导教师审查合格后才能用于实验报告，否则应重新测定。(四）编写实验报告。实验报告必须写得简单明白、数据完整、分析透彻、结论明确无误。报告应包括的款项如下：1.报告的题目；2.编写实验报告的人员及同组的合作实验人员；3.实验的目的要求；4.实验仪器设备的说明（包括流程示意图、主要设备仪器的类型及规格等）5.实验的基本原理及方法步骤简述：6.实验数据（包括原始数据、与实验结果相关的全部数据）：7.数据整理与计算（引用的数据要注明来源，导出数据要列出简化计算公式，并对每一种类型都列出示例计算过程）；8.数据的表达（可采用列表法、图形法表示法或者方程式表示法）；9.实验讨论（主要结合实验现象及发现的问题，讨论误差主要来源，减小误差的措施，对实验中发现的某些现象做出解释，提出对实验方法、使用的仪器及操作方法的改进意见）；10.实验报告必须个人独立完成，在规定的时间内交给教师批阅。三、食品工程原理实验数据的处理方法通过实验获得的原始记录数据需经整理计算（数据处理）才能得到应有的结果。实验结果的表达方法通常有列表法、图形法和方程式法三种。（一）数据的整理计算。1.在数据计算过程中，应至少写出一组数据的完整计算过程，以便检查计算方法和数字计算结果有无错误。每计算完一组数据，应首先判断结果是否合理，如数量级是否在正常范围内，以免一错到底。2.为减少计算工作量，最好将公式中多次重复的部分合并为公用常数。例如在测量管路的沿程阻力系数（阻力因数）时，每一个测定的平均流速u的值都要计算一次雷诺数Re=pdu/μ。而在改变平均流速u时，管路的内径d、流体的密度p和动力黏度u都可以认为保持不变，于是可合并为一个常数K=pd/u，预先将其数值算好，于是计算雷诺数的公式变为Re=Ku，这样使得计算简单得多了。3.在计算中应注意有效数字。工程计算的最后结果，一般保留三位有效数字，在中间运算过程中可多保留一或两位不定数字。数字过大或者过小时，应以科学记数法表示。（）实验数据的表达方法。1.列表表示法。列表表示法就是将一组实验数据中的自变量、因变量的各对应数值以一定的形式和顺序一一对应地列出，形成函数数值表。一般按自变量的数值的增大或减小的顺序排列。一个完4PDF文件使用“pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn

4 时段，因此在不稳定状态下读取的数据是不可靠的，由不可靠的数据所得出的结论必然是错 误的； ⒋ 同一条件下至少要读取两次数据，且当两次数据相近时才记录。数据必须记录在预先 拟好的记录表格内，不得随意乱记。记录时要注意各数据的单位； ⒌ 数据记录必须真实地反映仪表的精确度，一般记录至仪表上最小分度的下一位数，因 而数据的末位都是估计数字； ⒍ 实验中，如果出现不正常现象，数据有明显偏差时，应在备注中注明； ⒎ 原始记录数据必须经指导教师审查合格后才能用于实验报告，否则应重新测定。 ㈣ 编写实验报告。 实验报告必须写得简单明白、数据完整、分析透彻、结论明确无误。报告应包括的款项 如下： ⒈ 报告的题目； ⒉ 编写实验报告的人员及同组的合作实验人员； ⒊ 实验的目的要求； ⒋ 实验仪器设备的说明（包括流程示意图、主要设备仪器的类型及规格等）； ⒌ 实验的基本原理及方法步骤简述； ⒍ 实验数据（包括原始数据、与实验结果相关的全部数据）； ⒎ 数据整理与计算（引用的数据要注明来源，导出数据要列出简化计算公式，并对每一 种类型都列出示例计算过程）； ⒏ 数据的表达（可采用列表法、图形法表示法或者方程式表示法）； ⒐ 实验讨论（主要结合实验现象及发现的问题，讨论误差主要来源，减小误差的措施， 对实验中发现的某些现象做出解释，提出对实验方法、使用的仪器及操作方法的改进意见） ； ⒑ 实验报告必须个人独立完成，在规定的时间内交给教师批阅。 三、食品工程原理实验数据的处理方法。 通过实验获得的原始记录数据需经整理计算（数据处理）才能得到应有的结果。实验结 果的表达方法通常有列表法、图形法和方程式法三种。 ㈠ 数据的整理计算。 ⒈ 在数据计算过程中，应至少写出一组数据的完整计算过程，以便检查计算方法和数字 计算结果有无错误。每计算完一组数据，应首先判断结果是否合理，如数量级是否在正常范 围内，以免一错到底。 ⒉ 为减少计算工作量，最好将公式中多次重复的部分合并为公用常数。例如在测量管路 的沿程阻力系数（阻力因数）时，每一个测定的平均流速 u 的值都要计算一次雷诺数 Re = ρdu / μ。而在改变平均流速 u 时，管路的内径 d、流体的密度 ρ 和动力黏度 μ 都可以认为保持不 变，于是可合并为一个常数 K= ρd / μ，预先将其数值算好，于是计算雷诺数的公式变为 Re =K u，这样使得计算简单得多了。 ⒊ 在计算中应注意有效数字。工程计算的最后结果，一般保留三位有效数字，在中间运 算过程中可多保留一或两位不定数字。数字过大或者过小时，应以科学记数法表示。 ㈡ 实验数据的表达方法。 ⒈ 列表表示法。 列表表示法就是将一组实验数据中的自变量、因变量的各对应数值以一定的形式和顺序 一一对应地列出，形成函数数值表。一般按自变量的数值的增大或减小的顺序排列。一个完 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn

整的函数数值表，一般应包括序号、名称、项目、说明及数据来源等五项。表的名称应简明扼要，一看即知其内容。表的项目应包括变量的名称及单位，一般在不加说明即可了解的情况下，应尽量用符号代表。简单的说明和数据来源可在备注栏内注明。如果难于说明时，可在表格以外的适当地方详细写明。表内的数字写法应注意整齐统一。数值为零时应记为“0”，在某栏内划一横线时则表示该数值空缺。同一竖列的数值，小数点应上下对齐。2.图形表示法。实验结果可用几何图形或者函数图像表达出来。其优点在于直观形象，便于比较。例如通过函数图像（曲线）可直接看出数据的变化规律以及最高点、最低点、转折点、周期性和其它特征。如果图像作得足够准确，则不必知道变量间的数学解析式，即可利用图像对变量求微分和积分。还可根据图像的形状来确定函数方程的形式。在作图时应注意：(1）坐标纸选择：普通直角坐标纸适合于大多数用途，但对于符合y=ax"的幕函数关系的数据，采用双对数坐标纸，更为方便（因为可使图像变为直线）；(2）坐标标度的选择：习惯上，以横轴表示自变量，纵轴表示因变量，并在轴上标明变量的名称和单位。坐标的刻度应能表示出全部有效数字，并便于读取任意点的坐标值。直角坐标的两个变量的全部变化范围在两个坐标轴上表示的长度要相近，不可悬殊太大：(3）坐标点所使用的符号：常用的符号有√、○、●、☆、△、、口、……等，各符号的中心点应处于数据的坐标点位置。同一图形中不同变量关系的曲线应用不同的符号，以便区别，并注明各符号的含意。符号的大小应与实验误差成比例；（4）描绘曲线：曲线应描绘得光滑、连续、尽可能贯穿大多数点。曲线并非应当通过所有的数据坐标点，而应使所有数据坐标点均匀地分布于曲线的两侧，两侧的坐标点数接近相等，坐标点距曲线的偏差距离均匀一致。这样的曲线能较好地反映隐含在数据当中的客观规律，3.方程式表示方法。方程式表示方法是用最具有代表性的函数解析方程式去拟合隐含于所测数据中的内在变化规律的一种数学方法，通常称其为回归分析法，回归所得到的数学表达式被称为回归方程。用方程式法表达数据不仅形式上更为紧，而且易于进行微分、积分、内插等运算，在一定的前提条件下还可进行外延运算，取值也方便得多。通常这种方程式是变量间客观规律的近似描述，因而称其为经验方程式（又称为经验公式）。它为变量间关系的理论探讨提供了线索和依据，同时在没有搞清真实的客观规律之前，为工程计算提供了有力的计算工具。一个理想的经验公式，一方面要求形式简单，所含的待定常数较少，另一方面要求能够准确代表实验数据。这两方面的要求常是矛盾的，在实际工作中有时两者兼顾，有时则为了照顾必要的准确度，而采用较为复杂的经验方程式。对于一组实验数据，一般没有可直接获得一个理想方程式的简单方法，经验方程式是经过探索而得到的。寻找经验方程式的一般步骤为：（1）根据实验数据，确定坐标系并于其中作散点图像，根据散点图像的分布形状结合实际经验或与已知方程的曲线加以比较，猜测经验方程的应有形式；（2）用经验方程拟合实验数据，使得经验方程的值与实验数据的对应值的偏差达到最小。（3）用作图法或者计算法检验方程与实验数据的相符程度；(4）若相符程度不满意，则修正经验方程的形式，重复(2)、（3)步骤，直至拟合效果满意为止。因为直线方程最易检验，故在允许的情况下尽可能转化为直线方程。如y=ax是非线性5PDF文件使用“pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn

5 整的函数数值表，一般应包括序号、名称、项目、说明及数据来源等五项。 表的名称应简明扼要，一看即知其内容。表的项目应包括变量的名称及单位，一般在不 加说明即可了解的情况下，应尽量用符号代表。简单的说明和数据来源可在备注栏内注明。 如果难于说明时，可在表格以外的适当地方详细写明。表内的数字写法应注意整齐统一。数 值为零时应记为“0”，在某栏内划一横线时则表示该数值空缺。同一竖列的数值，小数点应 上下对齐。 ⒉ 图形表示法。 实验结果可用几何图形或者函数图像表达出来。其优点在于直观形象，便于比较。例如 通过函数图像（曲线）可直接看出数据的变化规律以及最高点、最低点、转折点、周期性和 其它特征。如果图像作得足够准确，则不必知道变量间的数学解析式，即可利用图像对变量 求微分和积分。还可根据图像的形状来确定函数方程的形式。在作图时应注意： ⑴ 坐标纸选择：普通直角坐标纸适合于大多数用途，但对于符合 y=ax n的幂函数关系的 数据，采用双对数坐标纸，更为方便（因为可使图像变为直线）； ⑵ 坐标标度的选择：习惯上，以横轴表示自变量，纵轴表示因变量，并在轴上标明变量 的名称和单位。坐标的刻度应能表示出全部有效数字，并便于读取任意点的坐标值。直角坐 标的两个变量的全部变化范围在两个坐标轴上表示的长度要相近，不可悬殊太大； ⑶ 坐标点所使用的符号：常用的符号有◇、○、●、☆、△、◎、□、. . 等，各符 号的中心点应处于数据的坐标点位置。同一图形中不同变量关系的曲线应用不同的符号，以 便区别，并注明各符号的含意。符号的大小应与实验误差成比例； ⑷ 描绘曲线：曲线应描绘得光滑、连续、尽可能贯穿大多数点。曲线并非应当通过所有 的数据坐标点，而应使所有数据坐标点均匀地分布于曲线的两侧，两侧的坐标点数接近相等， 坐标点距曲线的偏差距离均匀一致。这样的曲线能较好地反映隐含在数据当中的客观规律。 ⒊ 方程式表示方法。 方程式表示方法是用最具有代表性的函数解析方程式去拟合隐含于所测数据中的内在变 化规律的一种数学方法，通常称其为回归分析法，回归所得到的数学表达式被称为回归方程。 用方程式法表达数据不仅形式上更为紧凑，而且易于进行微分、积分、内插等运算，在一定 的前提条件下还可进行外延运算，取值也方便得多。通常这种方程式是变量间客观规律的近 似描述，因而称其为经验方程式（又称为经验公式）。它为变量间关系的理论探讨提供了线索 和依据，同时在没有搞清真实的客观规律之前，为工程计算提供了有力的计算工具。 一个理想的经验公式，一方面要求形式简单，所含的待定常数较少，另一方面 要求能够 准确代表实验数据。这两方面的要求常是矛盾的，在实际工作中有时两者兼顾，有时则为了 照顾必要的准确度，而采用较为复杂的经验方程式。对于一组实验数据，一般没有可直接获 得一个理想方程式的简单方法，经验方程式是经过探索而得到的。寻找经验方程式的一般步 骤为： ⑴ 根据实验数据，确定坐标系并于其中作散点图像，根据散点图像的分布形状结合实际 经验或与已知方程的曲线加以比较，猜测经验方程的应有形式； ⑵ 用经验方程拟合实验数据，使得经验方程的值与实验数据的对应值的偏差达到最小。 ⑶ 用作图法或者计算法检验方程与实验数据的相符程度； ⑷ 若相符程度不满意，则修正经验方程的形式，重复⑵、⑶步骤，直至拟合效果满意为 止。 因为直线方程最易检验，故在允许的情况下尽可能转化为直线方程。如 y=ax b 是非线性 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn

关系，但两边取对数之后，得Igy=Iga+bIgx若令Y=lgy，X=lgx，A=lga,则有Y=A+ b X.这时，由与x的非线性关系已经转化为Y与X的线性关系了。在找不到合适的方程式时，常采用多项式函数式对变量间的关系进行曲线拟合。白实验误差。凡是测量和实验，就一定有误差伴随。随着测量实验水平的提高，只能使误差逐渐减小，不可能使得误差完全消除。误差主要包括粗大误差、系统误差和随机误差三类。粗大误差是由于测量实验人员粗心大意，造成读数、记录或运算错误，而使得测量数值异常的误差。对于异常的数据必须先行核对剔除。系统误差是在测量条件一定时，误差的大小和方向恒定，而当测量条件变化时，误差的值按照某一确定的规律变化的误差。系统误差多是由于仪器设备没有标定准确，或使用方法不当等原因造成的。因此，测量实验前必须校准仪表，使系统误差降到最小程度。随机误差又称偶然误差，它是在各次测量中均不相同，时大时小，时正时负，不可与丁，无确定规律的误差。随机误差是由随机干扰因素造成的，是不可避免的，只有通过合理增加测量实验的重复次数来使之减小。因此，在测量实验中和编写实验报告的过程中，要时刻注意分析和消除各类误差，以便提高实验测量的精确度。第二章?实验内容实验一静力学方程实验一、实验目的。1.理解静力学方程的物理意义及几何意义；2.巩固绝对压力、表压力及真空度的概念，了解各种压力的测量方法；3.了解静压力特性：垂直内向性、各项等值性和静压力随淹没深度而变化的特性：4，了解利用静力学原理测定未知液体密度的方法。二、实验设备。采用SP-I型静力学方程仪，构造如图1-1所示。仪器主要由三个独立的密封容器和一个可以上下移动的活动容器组成。三个独立的密封容器的上、下各有一个阀门，容器下部装有蒸馏水并通过下方的阀门与活动容器相连通，上方的阀门控制密闭容器上部空气与外部大气的通断。4个U型管测压计的指示液为酒精。其中，3个U型管测压计用于测量3个密闭容器自由液面的表压力，而另一个则与薄膜式压力传感器相连，用于测量活动容器内液面下某测点的表压力。L型的测压管用于测量左侧密闭6PDF文件使用“pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn

6 关系，但两边取对数之后，得 lgy= lga+b lgx。 若令 Y= lgy， X= lgx， A= lga， 则有 Y= A+ b X。 这时，由 y 与 x 的非线性关系已经转化为 Y 与 X 的线性关系了。 在找不到合适的方程式时，常采用多项式函数式对变量间的关系进行曲线拟合。 ㈢ 实验误差。 凡是测量和实验，就一定有误差伴随。随着测量实验水平的提高，只能使误差逐渐减小， 不可能使得误差完全消除。误差主要包括粗大误差、系统误差和随机误差三类。粗大误差是 由于测量实验人员粗心大意，造成读数、记录或运算错误，而使得测量数值异常的误差。对 于异常的数据必须先行核对剔除。系统误差是在测量条件一定时，误差的大小和方向恒定， 而当测量条件变化时，误差的值按照某一确定的规律变化的误差。系统误差多是由于仪器设 备没有标定准确，或使用方法不当等原因造成的。因此，测量实验前必须校准仪表，使系统 误差降到最小程度。随机误差又称偶然误差，它是在各次测量中均不相同，时大时小，时正 时负，不可与丁，无确定规律的误差。随机误差是由随机干扰因素造成的，是不可避免的， 只有通过合理增加测量实验的重复次数来使之减小。 因此，在测量实验中和编写实验报告的过程中，要时刻注意分析和消除各类误差，以便 提高实验测量的精确度。 第二章 实验内容 实验一 静力学方程实验 一、实验目的。 ⒈ 理解静力学方程的物理意义及几何意义； ⒉ 巩固绝对压力、表压力及真空度的概念，了解各种压力的测量方法； ⒊ 了解静压力特性：垂直内向性、各项等值性和静压力随淹没深度而变化的特性； ⒋ 了解利用静力学原理测定未知液体密度的方法。 二、实验设备。 采用 SP-I 型静力学方程仪，构造如图 1-1 所示。 仪器主要由三个独立的密封容器和一个可以上下移动的活动容器组成。三个独立的密封 容器的上、下各有一个阀门，容器下部装有蒸馏水并通过下方的阀门与活动容器相连通，上 方的阀门控制密闭容器上部空气与外部大气的通断。4 个 U 型管测压计的指示液为酒精。其 中，3 个 U 型管测压计用于测量 3 个密闭容器自由液面的表压力，而另一个则与薄膜式压力 传感器相连，用于测量活动容器内液面下某测点的表压力。L 型的测压管用于测量左侧密闭 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn

容器内液体液面下方测点处的表压力，它是利用被测压的液体作为指示液的。测压计管子排了序号1、2、、10、11，以便于区分。利用一根管子将管9的液面上方与左侧密闭容器的液面上方相连通。图1-1SP-I型静力学方程仪构造示意图1.升降机构：2.压力传感器：3.活动容器：4.密闭容器：5.阀门：6.底座：7.立柱：8.台面：9.副测压排架：10主测压排架三、实验原理。在重力场下，处于静止状态的不可压缩均质液体满足的基本方程是7PDF文件使用"pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn

7 容器内液体液面下方测点处的表压力，它是利用被测压的液体作为指示液的。测压计管子排 了序号 1、2、.、10、11，以便于区分。利用一根管子将管 9 的液面上方与左侧密闭容器的 液面上方相连通。 三、实验原理。 在重力场下，处于静止状态的不可压缩均质液体满足的基本方程是 图 1-1 SP-I 型静力学方程仪构造示意图 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1.升降机构； 2.压力传感器； 3.活动容器； 4.密闭容器； 5.阀门； 6.底座；7.立柱； 8.台面；9.副测压排架；10 主测压排架 1 2 3 4 5 6 7 8 91011 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn

2+=常量。pg对于存在自由液面的液体有p=Po+pgh。式中：为高程坐标为=的点处单位重力液体相对于基准面的位势能，m；plpg为该点处单位重力液体的压力势能，m：p为蒸馏水的密度，kg/m：h为液面下任意一点到液体自由面的距离m；p为自由液面以下任意一点的静压力，N/m；po为液体自由面的静压力，N/m；g为当地的重力加速度，取g=9.81m/s2。该装置除静压力特性实验外，均系运用连通器原理。在密封容器上串联一个活动容器，通过改变活动容器的高度，来改变密闭容器液面上部空气的压力，然后用测压计测出其改变后的值。静压力特性实验是依据U型管测压计通过薄膜式压力传感器在活动容器内液面下不同深度处所测得的压力与测点距液面的深度呈线性关系的原理来验证的。用薄膜式压力传感器感知的仅有压应力来说明液体内部静压力的垂直内向性。而用保持测点的深度不变，仅改变压力传感器的方位时，所测压力值不变的原理来验证静压力各向等值性的特性。四、实验步骤。1.将各密封容器内的水面调得高度基本一致，上方空气量适当，活动容器内水量合适，各测压计调零之后，关闭所有封闭容器的上、下阀门。2.验证静力学方程。在左侧密闭容器上、下阀门关闭的情况下，把活动容器提高到最高位置，然后，打开下方进水阀。当测压管10、11的读数到二分之一的量程范围时，关闭进液阀，待稳定后观测并记录两测压管的读数：读取读数后，再次打开下方进水阀，待两测压管的读数接近最大值时，立即关闭进液阀，并再观测记录一次。读数记录于表1-1中。显然有A1o = 21o + Pro pgAn = 21 + P。pg如果Ao = A则有210 + Po = 21 + PI=常量pgpg得到验证。8PDF文件使用"pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn

8 p z rg + = 常量。 对于存在自由液面的液体有 0 p = + p rgh 。 式中：z 为高程坐标为 z 的点处单位重力液体相对于基准面的位势能，m；p/ρg 为该点处单位 重力液体的压力势能，m；ρ 为蒸馏水的密度，kg/m3 ；h 为液面下任意一点到液体自由面的距 离 m；p 为自由液面以下任意一点的静压力，N/ m 2 ；p0为液体自由面的静压力，N/ m 2 ；g 为 当地的重力加速度，取 g=9.81 m / s 2。 该装置除静压力特性实验外，均系运用连通器原理。在密封容器上串联一个活动容器， 通过改变活动容器的高度，来改变密闭容器液面上部空气的压力，然后用测压计测出其改变 后的值。 静压力特性实验是依据 U 型管测压计通过薄膜式压力传感器在活动容器内液面下不同深 度处所测得的压力与测点距液面的深度呈线性关系的原理来验证的。用薄膜式压力传感器感 知的仅有压应力来说明液体内部静压力的垂直内向性。而用保持测点的深度不变，仅改变压 力传感器的方位时，所测压力值不变的原理来验证静压力各向等值性的特性。 四、实验步骤。 ⒈ 将各密封容器内的水面调得高度基本一致，上方空气量适当，活动容器内水量合适， 各测压计调零之后，关闭所有封闭容器的上、下阀门。 ⒉ 验证静力学方程。 在左侧密闭容器上、下阀门关闭的情况下，把活动容器提高到最高位置，然后，打开下 方进水阀。当测压管 10、11 的读数到二分之一的量程范围时，关闭进液阀，待稳定后观测并 记录两测压管的读数；读取读数后，再次打开下方进水阀，待两测压管的读数接近最大值时， 立即关闭进液阀，并再观测记录一次。读数记录于表 1-1 中。 显然有 10 10 10 p z rg D = + ； 11 11 11 p z rg D = + 。 如果 D10 = D11， 则有 10 11 10 11 p p z z r r g g + = + =常量 得到验证。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn

式中：410、4u为10、11管液面所对应的刻度尺上的读数，m；P10、Pll为10、11测压管所测得的下管口处测压点10点和11点的静压力，Pa；=10、=11为被测点10和11相对于基准面（过副测压排架上刻度尺零刻度点的水平面）的坐标高度，m3.测定酒精的密度p。在验证静力学方程的同时，也完成了酒精密度p的测定过程。这是因为9与10测压管中的示压介质为蒸馏水，1、2管内的示压介质为U型管测压计的指示液酒精：而9、1管的上端与左侧密闭容器上方的气体相通，10、2管的上端与大气相通，其液面的绝对压力为当地大气压pa，所以9、1管中液面的表压力分别为po=pg(Alo -。)Po = pg(A, -△,)。于是有p'= P(A-4),A, -△,式中：Po为左侧密封容器液面上的表压力，Pa：41、42、4为1、2、9管内液面所对应的刻度尺上的读数，m；p、p分别为水和酒精的密度，kg/m；取水的密度为1000kg/m，取重力加速度为g=9.81m/s：其余符号同上。相应的读数记于表1-2中。4.测量表压力。在活动容器处在最高位置的情况下（步骤2的最后状态），打开中间密闭容器的下方进水阀，到3、4U型管内的液位差适当大后，立即关闭进水阀。此时中间密闭容中上部空气的表压力pg为Pg = po -P, = p'g(A4-△,)。式中：43、44为3、4、管内液面所对应的刻度尺上的读数，m；p为中间密封容器液面上的绝对压力，Pa；Pa为当地大气压，Pa；其余符号同前。相应的读数记于表1-2中。5.测量真空度pv。将活动容器降至最低位置后，打开右侧密闭容器下方的进水阀，待到5、6U型管内的液位差适当大后，立即关闭进水阀。稳定后，观测读数45、46，并记于表1-2中。此时右侧密闭容器中上部空气的真空度p和真空高度H,分别为P, = Pa- p= p'g(A, -△);H,==A,-A。.p'g式中：45、46为5、6、管内液面所对应的刻度尺上的读数，m；p为右侧密封容器液面上的绝对压力，Pa；pa为当地大气压，Pa；H为以酒精液柱表示的真空度。6.演示静压力特性。在活动容器处于最低位置时，转动压力传感器至活动容器的正上方，然后升高活动容器于适当高度。可测读三点的表压力p（包括零点）和相应的没深度h，记于表1-3中。转动9PDF文件使用“pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn

9 式中：Δ10、Δ11 为 10、11 管液面所对应的刻度尺上的读数，m；p10、p11 为 10、11 测压管所 测得的下管口处测压点 10 点和 11 点的静压力，Pa；z10、z11为被测点 10 和 11 相对于基准面 （过副测压排架上刻度尺零刻度点的水平面）的坐标高度，m。 ⒊ 测定酒精的密度 ρ′。 在验证静力学方程的同时，也完成了酒精密度 ρ′的测定过程。这是因为 9 与 10 测压管中 的示压介质为蒸馏水，1、2 管内的示压介质为 U 型管测压计的指示液酒精；而 9、1 管的上 端与左侧密闭容器上方的气体相通，10、2 管的上端与大气相通，其液面的绝对压力为当地 大气压 pa，所以 9、1 管中液面的表压力分别为 p g 0 = r (D10 9 - D ) ， p g 0 = r¢ (D2 1 - D )。 于是有 ( ) 10 9 2 1 r r D - D ¢ = D - D 。 式中：p0 为左侧密封容器液面上的表压力，Pa；Δ1、Δ2、Δ9 为 1、2、9 管内液面所对应的刻 度尺上的读数，m；ρ、ρ′分别为水和酒精的密度，kg/m3 ；取水的密度为 1 000 kg/m3，取重力 加速度为 g=9.81 m / s 2 ；其余符号同上。相应的读数记于表 1-2 中。 ⒋ 测量表压力。 在活动容器处在最高位置的情况下（步骤 2 的最后状态），打开中间密闭容器的下方进水 阀，到 3、4U 型管内的液位差适当大后，立即关闭进水阀。此时中间密闭容中上部空气的表 压力 pg 为 pg a = p0 ¢ ¢ - p g = r (D4 3 - D )。 式中：Δ3、Δ4为 3、4、管内液面所对应的刻度尺上的读数，m；p′0为中间密封容器液面上的 绝对压力，Pa；pa 为当地大气压，Pa；其余符号同前。相应的读数记于表 1-2 中。 ⒌ 测量真空度 pv。 将活动容器降至最低位置后，打开右侧密闭容器下方的进水阀，待到 5、6U 型管内的液 位差适当大后，立即关闭进水阀。稳定后，观测读数 Δ5、Δ6，并记于表 1-2 中。此时右侧密 闭容器中上部空气的真空度 pv和真空高度 Hv分别为 pv a = p - p g 0 ¢ ¢ = r (D5 6 - D ) ； 5 6 v v p H r g = = D - D ¢ 。 式中：Δ5、Δ6为 5、6、管内液面所对应的刻度尺上的读数，m；p′0为右侧密封容器液面上的 绝对压力，Pa；pa 为当地大气压，Pa； Hv为以酒精液柱表示的真空度。 ⒍ 演示静压力特性。 在活动容器处于最低位置时，转动压力传感器至活动容器的正上方，然后升高活动容器 于适当高度。可测读三点的表压力 p（包括零点）和相应的淹没深度 h，记于表 1-3 中。转动 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn