劉 峰

(河南省鎮(zhèn)平縣教研室，河南 南陽 474250)

在人教版物理八年級(jí)下冊(cè)第9章第3節(jié)“大氣壓強(qiáng)”中,關(guān)于活塞式抽水機(jī)的工作原理與插圖還可以進(jìn)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(qiáng),同時(shí)抽水機(jī)在3幅不同狀態(tài)下工作的插圖中,水面上方的大氣壓強(qiáng)為恒定壓強(qiáng),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(jī)將能夠不間斷地將相同體積的地下水抽運(yùn)到地表．然而在實(shí)際生活中,人們利用活塞式抽水機(jī)長時(shí)間抽水時(shí),抽運(yùn)的水量并不穩(wěn)定,按壓一段時(shí)間后,很難再將地下水抽運(yùn)到地表．由此可見,教科書對(duì)于活塞式抽水機(jī)工作原理的表述與插圖繪制并不十分準(zhǔn)確．首先,教科書中的插圖將抽水機(jī)持續(xù)工作時(shí)的大氣壓強(qiáng)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(xiàn)出水在抽運(yùn)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(jī)”插圖

在日常生產(chǎn)生活中,人們擇適當(dāng)位置將長鐵管鉆入地下,一般情況下鐵管最下端將會(huì)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(gè)相對(duì)穩(wěn)定且連續(xù)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(jī)只能夠利用內(nèi)外界的壓強(qiáng)差,將地下水抽運(yùn)到地表．當(dāng)長鐵管鉆入地下后,其最下端周圍的土層將會(huì)形成一個(gè)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(jiān)實(shí)覆蓋,故該空腔內(nèi)氣體與外界氣體之間交換不暢．當(dāng)空腔內(nèi)部氣體壓強(qiáng)迅速變化時(shí),外界氣體對(duì)內(nèi)部影響較?。?/p>

如圖2所示,當(dāng)人們利用活塞式抽水機(jī)進(jìn)行抽水時(shí),含水層中的水將會(huì)向抽水機(jī)最下端進(jìn)水口運(yùn)動(dòng),進(jìn)水口周圍的潛水位也將下降,距離進(jìn)水口越近,水位降落越明顯,形成降落漏斗．根據(jù)潛水底部進(jìn)水非完整井出水量公式為

圖2 潛水位下降

可知,當(dāng)抽水機(jī)持續(xù)從潛水含水層抽運(yùn)地下水時(shí),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(shù)、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(jìn)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(dāng)潛水位下降時(shí),空腔內(nèi)部氣體壓強(qiáng)將會(huì)逐漸減小,抽水機(jī)的揚(yáng)程也會(huì)逐漸降低;當(dāng)抽水機(jī)持續(xù)工作一段時(shí)間之后,空腔內(nèi)部氣體壓強(qiáng)減小到最小值,此時(shí)內(nèi)部的氣體壓強(qiáng)只能將地下水托舉至地表,無法繼續(xù)進(jìn)行抽水．

基于上述分析,筆者將活塞式抽水機(jī)插圖改進(jìn)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(qiáng),但抽水機(jī)在3幅不同狀態(tài)下工作的插圖中,水面上方的大氣壓強(qiáng)不恒定,當(dāng)人們利用活塞式抽水機(jī)進(jìn)行抽水時(shí),含水層中的水將會(huì)向抽水機(jī)最下端進(jìn)水口運(yùn)動(dòng),進(jìn)水口周圍的潛水位也將下降,距離進(jìn)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(qiáng)逐漸減?。噍^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(shù)量的減少表示壓強(qiáng)逐漸減?。?/p>

圖3 “活塞式抽水機(jī)”改進(jìn)插圖

通過這樣的改進(jìn)就能夠使學(xué)生明白,在活塞式抽水機(jī)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(huì)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(qiáng)會(huì)逐漸減小,這對(duì)于學(xué)生正確理解活塞式抽水機(jī)的工作原理具有較好的輔助作用．