“活塞式抽水机”工作原理与插图的改进

刘 峰

(河南省镇平县教研室，河南 南阳 474250)

在人教版物理八年级下册第9章第3节“大气压强”中,关于活塞式抽水机的工作原理与插图还可以进行更好的表述(如图1)．在图1中,利用竖直向下的箭头描绘出地下水水面上方的大气压强,同时抽水机在3幅不同状态下工作的插图中,水面上方的大气压强为恒定压强,并且在抽水的过程中地下水水位并未改变．如果确如插图中所描绘,那么抽水机将能够不间断地将相同体积的地下水抽运到地表．然而在实际生活中,人们利用活塞式抽水机长时间抽水时,抽运的水量并不稳定,按压一段时间后,很难再将地下水抽运到地表．由此可见,教科书对于活塞式抽水机工作原理的表述与插图绘制并不十分准确．首先,教科书中的插图将抽水机持续工作时的大气压强描绘为恒定值,水面是否与空气直接接触也没有明确交代;其次,没有体现出水在抽运过程中地下水水位的变化．

图1 初中物理教科书中“活塞式抽水机”插图

在日常生产生活中,人们择适当位置将长铁管钻入地下,一般情况下铁管最下端将会钻到潜水含水层中,在潜水面以下．潜水位于地面以下第一个相对稳定且连续分布的隔水层之上,并且具有自由水面的重力水,由于潜水是无压水,所以活塞式抽水机只能够利用内外界的压强差,将地下水抽运到地表．当长铁管钻入地下后,其最下端周围的土层将会形成一个空腔,虽然潜水层通过包气带与大气相通,但是该空腔上方被石土等坚实覆盖,故该空腔内气体与外界气体之间交换不畅．当空腔内部气体压强迅速变化时,外界气体对内部影响较小．

如图2所示,当人们利用活塞式抽水机进行抽水时,含水层中的水将会向抽水机最下端进水口运动,进水口周围的潜水位也将下降,距离进水口越近,水位降落越明显,形成降落漏斗．根据潜水底部进水非完整井出水量公式为

图2 潜水位下降

可知,当抽水机持续从潜水含水层抽运地下水时,随着抽水量Q不断增加,潜水降深s也在不断增加,其中K为渗透系数、r0为管道半径、m为最下端距不透水底板距离、R为供水半径、H为含水层厚度．由于进水口附近空腔顶部与外界大气交换不畅,且空腔体积不变,所以当潜水位下降时,空腔内部气体压强将会逐渐减小,抽水机的扬程也会逐渐降低;当抽水机持续工作一段时间之后,空腔内部气体压强减小到最小值,此时内部的气体压强只能将地下水托举至地表,无法继续进行抽水．

基于上述分析,笔者将活塞式抽水机插图改进如图3所示,仍然利用竖直向下的箭头描绘地下水水面上方的大气压强,但抽水机在3幅不同状态下工作的插图中,水面上方的大气压强不恒定,当人们利用活塞式抽水机进行抽水时,含水层中的水将会向抽水机最下端进水口运动,进水口周围的潜水位也将下降,距离进水口越近,水位降落越明显,形成降落漏斗．抽水过程中,水位逐渐下降,水面上方气体体积增大,所以压强逐渐减小．相较于之前教科书中的插图,甲乙丙中潜水位逐渐下降,并且通过箭头数量的减少表示压强逐渐减小．

图3 “活塞式抽水机”改进插图

通过这样的改进就能够使学生明白,在活塞式抽水机工作过程中,管道下方的水并不直接与地面上的空气接触,水位会逐渐下降,随着水面上方空气体积增大,水面上方空气的压强会逐渐减小,这对于学生正确理解活塞式抽水机的工作原理具有较好的辅助作用．