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第4节 跨学科实践:制作简易活塞式抽水机
项目提出
在生产生活中,人们常用抽水机将水从低处抽到高处。根据大气压强的知识,制作简易活塞式抽水机。
活动目的
1. 了解活塞式抽水机的工作原理。
2. 设计一个活塞式抽水机,能够用它将水从低处抽到高处。
3. 根据你的设计方案,选用合适的器材,制作一个活塞式抽水机。
方案设计
1. 了解活塞式抽水机的工作原理
大气压强是抽水机工作的基础,即大气压能够支持一定高度的水柱。如图9.4-1所示,使用时,若提起活塞,阀门A受到_______的作用而关闭,活塞的下面空气_______,气压_______外界的大气压。于是,低处的水受到大气压的作用推开阀门_______进入圆筒;当压下活塞时,阀门B被水压下而_______,水受阻不能向下流动,于是冲开阀门_______进入圆筒的上部;再提起活塞时,活塞上面的水迫使阀门_______关闭,水从出水管流出。与此同时,低处的水又在大气压的作用下推开阀门_______而进入圆筒。这样,活塞不停地上下移动,水就从管口连续不断地流出。
2. 设计简易活塞式抽水机
制作过程
1. 选用器材:_______。
2. 制作步骤(文字描述或拍照展示)
① 制作圆筒：选择合适长度和内径的圆筒，清理内壁确保光滑。
② 制作活塞：将活塞材料（如橡胶塞）加工成与圆筒内径匹配的大小，在活塞上安装阀门A（单向向上开），可在活塞中心打孔安装活塞杆，边缘缠上橡胶条增强气密性。
③ 安装进水管和阀门B：在圆筒底部合适位置打孔，安装进水管，在筒内进水管口处安装阀门B（单向向上开，朝向圆筒内部），确保阀门能灵活开关且密封。
④ 安装出水管：在圆筒上部侧面打孔，安装出水管，确保与圆筒内部连通。
⑤ 组装调试：将活塞放入圆筒，连接活塞杆，检查各阀门是否能正常单向开启关闭，活塞气密性是否良好，然后将进水管放入水盆，上下拉动活塞杆测试抽水效果，若漏水或抽水不畅，检查密封和阀门问题并调整。
成果展示
交流反思
1. 讲解活塞式抽水机各部件的作用,并说明选择材料时的想法。
2. 活塞式抽水机提升水的最大高度是多少?请说出你的理由。
3. 如何从设计、选材上提出优化方案,制作出更好的抽水机?
拓展实践
通过查阅资料,了解离心式抽水机和大气压对人类生产生活的影响
项目提出
在生产生活中,人们常用抽水机将水从低处抽到高处。根据大气压强的知识,制作简易活塞式抽水机。
活动目的
1. 了解活塞式抽水机的工作原理。
2. 设计一个活塞式抽水机,能够用它将水从低处抽到高处。
3. 根据你的设计方案,选用合适的器材,制作一个活塞式抽水机。
方案设计
1. 了解活塞式抽水机的工作原理
大气压强是抽水机工作的基础,即大气压能够支持一定高度的水柱。如图9.4-1所示,使用时,若提起活塞,阀门A受到_______的作用而关闭,活塞的下面空气_______,气压_______外界的大气压。于是,低处的水受到大气压的作用推开阀门_______进入圆筒;当压下活塞时,阀门B被水压下而_______,水受阻不能向下流动,于是冲开阀门_______进入圆筒的上部;再提起活塞时,活塞上面的水迫使阀门_______关闭,水从出水管流出。与此同时,低处的水又在大气压的作用下推开阀门_______而进入圆筒。这样,活塞不停地上下移动,水就从管口连续不断地流出。
2. 设计简易活塞式抽水机
制作过程
1. 选用器材:_______。
2. 制作步骤(文字描述或拍照展示)
① 制作圆筒：选择合适长度和内径的圆筒，清理内壁确保光滑。
② 制作活塞：将活塞材料（如橡胶塞）加工成与圆筒内径匹配的大小，在活塞上安装阀门A（单向向上开），可在活塞中心打孔安装活塞杆，边缘缠上橡胶条增强气密性。
③ 安装进水管和阀门B：在圆筒底部合适位置打孔，安装进水管，在筒内进水管口处安装阀门B（单向向上开，朝向圆筒内部），确保阀门能灵活开关且密封。
④ 安装出水管：在圆筒上部侧面打孔，安装出水管，确保与圆筒内部连通。
⑤ 组装调试：将活塞放入圆筒，连接活塞杆，检查各阀门是否能正常单向开启关闭，活塞气密性是否良好，然后将进水管放入水盆，上下拉动活塞杆测试抽水效果，若漏水或抽水不畅，检查密封和阀门问题并调整。
成果展示
交流反思
1. 讲解活塞式抽水机各部件的作用,并说明选择材料时的想法。
2. 活塞式抽水机提升水的最大高度是多少?请说出你的理由。
3. 如何从设计、选材上提出优化方案,制作出更好的抽水机?
拓展实践
通过查阅资料,了解离心式抽水机和大气压对人类生产生活的影响
答案
方案设计-工作原理填空
使用时,若提起活塞,阀门A受到水的压力的作用而关闭,活塞的下面空气变稀薄,气压小于外界的大气压。于是,低处的水受到大气压的作用推开阀门B进入圆筒;当压下活塞时,阀门B被水压下而关闭,水受阻不能向下流动,于是冲开阀门A进入圆筒的上部;再提起活塞时,活塞上面的水迫使阀门A关闭,水从出水管流出。与此同时,低处的水又在大气压的作用下推开阀门B而进入圆筒。
制作过程-选用器材
透明塑料圆筒、橡胶塞、硬塑料片、细塑料管、木棍、橡胶条、水盆（合理即可）
交流反思
1. 部件作用与选材想法
- 部件作用：
圆筒：作为抽水机的主体，为活塞运动提供空间，同时容纳待运输的水；
活塞：通过上下移动改变圆筒内部气压，配合单向阀门实现水的定向流动，同时保证圆筒内部的气密性；
阀门A、B：均为单向阀，阀门A控制水只能从活塞下方流入上方，阀门B控制水只能从外界低处流入圆筒内部，二者配合实现水的向上运输；
进水管：引导低处的水进入圆筒内部；
出水管：将圆筒上部的水导出至高处。
- 选材想法：选择透明塑料圆筒，便于观察内部抽水的工作过程；橡胶塞做活塞，利用其弹性保证与圆筒内壁的气密性；硬塑料片做阀门，质量轻，能灵活开合且不易被水腐蚀；细塑料管作为进、出水管，柔韧性好，方便安装和调整位置；木棍做活塞杆，取材方便、结实耐用，便于加工。
2. 解：活塞式抽水机提升水的最大高度约为10.3m。
理由：活塞式抽水机依靠大气压工作，根据液体压强公式$p=\rho gh$，标准大气压$p_0=1.01×10^5Pa$，水的密度$\rho=1×10^3kg/m^3$，$g=9.8N/kg$，可得$h=\frac{p_0}{\rho g}=\frac{1.01×10^5Pa}{1×10^3kg/m^3×9.8N/kg}\approx10.3m$。当水柱产生的压强等于大气压时，水无法被继续提升，所以这是理论上的最大高度。
3. 优化方案
- 设计优化：在活塞杆上端加装杠杆结构，利用杠杆原理减小抽水时的用力；在圆筒外侧标注刻度，方便观察水位变化；给抽水机加装固定支架，提升装置的稳定性。
- 选材优化：用硅胶材料替代橡胶塞做活塞，硅胶的密封性和耐用性更好；采用不锈钢材质制作阀门，避免长期接触水生锈；选择内壁更光滑的亚克力圆筒，减小活塞运动的摩擦力，提升抽水效率；用硬质塑料管替代细塑料管作为进、出水管，提升结构的稳定性。
拓展实践（参考内容）
离心式抽水机是利用叶轮旋转使水获得离心力，将水甩出，它的抽水扬程不受大气压限制，相比活塞式抽水机可以将水提升到更高的高度；大气压在生产生活中的影响有：用吸管吸饮料、吸盘挂钩吸附在墙面、高压锅利用气压提高水的沸点来快速煮熟食物、飞机机翼利用上下表面的气压差获得升力等。
使用时,若提起活塞,阀门A受到水的压力的作用而关闭,活塞的下面空气变稀薄,气压小于外界的大气压。于是,低处的水受到大气压的作用推开阀门B进入圆筒;当压下活塞时,阀门B被水压下而关闭,水受阻不能向下流动,于是冲开阀门A进入圆筒的上部;再提起活塞时,活塞上面的水迫使阀门A关闭,水从出水管流出。与此同时,低处的水又在大气压的作用下推开阀门B而进入圆筒。
制作过程-选用器材
透明塑料圆筒、橡胶塞、硬塑料片、细塑料管、木棍、橡胶条、水盆（合理即可）
交流反思
1. 部件作用与选材想法
- 部件作用：
圆筒：作为抽水机的主体，为活塞运动提供空间，同时容纳待运输的水；
活塞：通过上下移动改变圆筒内部气压，配合单向阀门实现水的定向流动，同时保证圆筒内部的气密性；
阀门A、B：均为单向阀，阀门A控制水只能从活塞下方流入上方，阀门B控制水只能从外界低处流入圆筒内部，二者配合实现水的向上运输；
进水管：引导低处的水进入圆筒内部；
出水管：将圆筒上部的水导出至高处。
- 选材想法：选择透明塑料圆筒，便于观察内部抽水的工作过程；橡胶塞做活塞，利用其弹性保证与圆筒内壁的气密性；硬塑料片做阀门，质量轻，能灵活开合且不易被水腐蚀；细塑料管作为进、出水管，柔韧性好，方便安装和调整位置；木棍做活塞杆，取材方便、结实耐用，便于加工。
2. 解：活塞式抽水机提升水的最大高度约为10.3m。
理由：活塞式抽水机依靠大气压工作，根据液体压强公式$p=\rho gh$，标准大气压$p_0=1.01×10^5Pa$，水的密度$\rho=1×10^3kg/m^3$，$g=9.8N/kg$，可得$h=\frac{p_0}{\rho g}=\frac{1.01×10^5Pa}{1×10^3kg/m^3×9.8N/kg}\approx10.3m$。当水柱产生的压强等于大气压时，水无法被继续提升，所以这是理论上的最大高度。
3. 优化方案
- 设计优化：在活塞杆上端加装杠杆结构，利用杠杆原理减小抽水时的用力；在圆筒外侧标注刻度，方便观察水位变化；给抽水机加装固定支架，提升装置的稳定性。
- 选材优化：用硅胶材料替代橡胶塞做活塞，硅胶的密封性和耐用性更好；采用不锈钢材质制作阀门，避免长期接触水生锈；选择内壁更光滑的亚克力圆筒，减小活塞运动的摩擦力，提升抽水效率；用硬质塑料管替代细塑料管作为进、出水管，提升结构的稳定性。
拓展实践（参考内容）
离心式抽水机是利用叶轮旋转使水获得离心力，将水甩出，它的抽水扬程不受大气压限制，相比活塞式抽水机可以将水提升到更高的高度；大气压在生产生活中的影响有：用吸管吸饮料、吸盘挂钩吸附在墙面、高压锅利用气压提高水的沸点来快速煮熟食物、飞机机翼利用上下表面的气压差获得升力等。
