“活塞式抽水機”工作原理與插圖的改進

劉 峰

(河南省鎮平縣教研室，河南 南陽 474250)

在人教版物理八年級下冊第9章第3節“大氣壓強”中,關于活塞式抽水機的工作原理與插圖還可以進行更好的表述(如圖1)．在圖1中,利用豎直向下的箭頭描繪出地下水水面上方的大氣壓強,同時抽水機在3幅不同狀態下工作的插圖中,水面上方的大氣壓強為恒定壓強,并且在抽水的過程中地下水水位并未改變．如果確如插圖中所描繪,那么抽水機將能夠不間斷地將相同體積的地下水抽運到地表．然而在實際生活中,人們利用活塞式抽水機長時間抽水時,抽運的水量并不穩定,按壓一段時間后,很難再將地下水抽運到地表．由此可見,教科書對于活塞式抽水機工作原理的表述與插圖繪制并不十分準確．首先,教科書中的插圖將抽水機持續工作時的大氣壓強描繪為恒定值,水面是否與空氣直接接觸也沒有明確交代;其次,沒有體現出水在抽運過程中地下水水位的變化．

圖1 初中物理教科書中“活塞式抽水機”插圖

在日常生產生活中,人們擇適當位置將長鐵管鉆入地下,一般情況下鐵管最下端將會鉆到潛水含水層中,在潛水面以下．潛水位于地面以下第一個相對穩定且連續分布的隔水層之上,并且具有自由水面的重力水,由于潛水是無壓水,所以活塞式抽水機只能夠利用內外界的壓強差,將地下水抽運到地表．當長鐵管鉆入地下后,其最下端周圍的土層將會形成一個空腔,雖然潛水層通過包氣帶與大氣相通,但是該空腔上方被石土等堅實覆蓋,故該空腔內氣體與外界氣體之間交換不暢．當空腔內部氣體壓強迅速變化時,外界氣體對內部影響較小．

如圖2所示,當人們利用活塞式抽水機進行抽水時,含水層中的水將會向抽水機最下端進水口運動,進水口周圍的潛水位也將下降,距離進水口越近,水位降落越明顯,形成降落漏斗．根據潛水底部進水非完整井出水量公式為

圖2 潛水位下降

可知,當抽水機持續從潛水含水層抽運地下水時,隨著抽水量Q不斷增加,潛水降深s也在不斷增加,其中K為滲透系數、r0為管道半徑、m為最下端距不透水底板距離、R為供水半徑、H為含水層厚度．由于進水口附近空腔頂部與外界大氣交換不暢,且空腔體積不變,所以當潛水位下降時,空腔內部氣體壓強將會逐漸減小,抽水機的揚程也會逐漸降低;當抽水機持續工作一段時間之后,空腔內部氣體壓強減小到最小值,此時內部的氣體壓強只能將地下水托舉至地表,無法繼續進行抽水．

基于上述分析,筆者將活塞式抽水機插圖改進如圖3所示,仍然利用豎直向下的箭頭描繪地下水水面上方的大氣壓強,但抽水機在3幅不同狀態下工作的插圖中,水面上方的大氣壓強不恒定,當人們利用活塞式抽水機進行抽水時,含水層中的水將會向抽水機最下端進水口運動,進水口周圍的潛水位也將下降,距離進水口越近,水位降落越明顯,形成降落漏斗．抽水過程中,水位逐漸下降,水面上方氣體體積增大,所以壓強逐漸減小．相較于之前教科書中的插圖,甲乙丙中潛水位逐漸下降,并且通過箭頭數量的減少表示壓強逐漸減小．

圖3 “活塞式抽水機”改進插圖

通過這樣的改進就能夠使學生明白,在活塞式抽水機工作過程中,管道下方的水并不直接與地面上的空氣接觸,水位會逐漸下降,隨著水面上方空氣體積增大,水面上方空氣的壓強會逐漸減小,這對于學生正確理解活塞式抽水機的工作原理具有較好的輔助作用．