55長水頭滲透實驗裝置

A. 為什麼要分常水頭實驗和變水頭實驗

實驗採用電化學滲透方法測定氫在車輪鋼中的擴散行為，實驗裝置示意如圖5.3。
試樣加在兩電解槽中間，用螺釘固定。試樣兩邊是兩個互不相通的電解槽，電解槽A為充氫槽，和它相接觸的樣品表面叫充氫面。

B. 如圖為研究滲透作用的實驗裝置，請回答下列問題：（1）漏斗內溶液（S1）和漏斗外溶液（S2）為兩種不同濃

（1）分析題圖的滲透裝置可知，一段時間後，漏斗內的液面上升，說明水分從燒杯進入漏斗，因此漏斗內溶液（S₁）的濃度大於漏斗外溶液（S₂）的濃度．
（2）成熟的植物細胞的原生質層相當於滲透裝置中的半透膜；二者的不同在於原生質層的選擇透過性具有生物活性，半透膜無生物活性．
（3）①由於蔗糖分大，不能穿過半透膜，因此裝置X出現液面差；K⁺和NO3^-小，可以穿過半透膜，因此Y裝置不會出現液面差．
②由於0.3g/mL的蔗糖溶液和等滲的KNO₃溶液都大於細胞液的濃度，細胞通過滲透作用失水，因此都會發生質壁分離現象．
（4）由於原生質層能主動吸收K⁺和NO3^-，使細胞液濃度增加，當細胞液濃度大於外界溶液濃度時，細胞會通過滲透作用吸水，因此發生質壁分離復原的現象；最能體現兩種膜功能差異的實驗現象是KNO₃溶液中的細胞質壁分離後會自動復原．
（5）洋蔥在高中生物實驗中可以作為多個實驗的實驗材料，如洋蔥根尖--觀察植物細胞的有絲分裂，洋蔥根尖--低溫誘導染色體數目的變化；洋蔥鱗片葉內表皮--觀察DNA和RNA在細胞中的分布；洋蔥綠色（管狀）葉--葉綠體中色素的提取和分離（或觀察葉綠體）；白色洋蔥--檢測生物組織中的還原糖（或DNA的粗提取與鑒定）；紫色洋蔥鱗片葉外表皮--觀察質壁分離和復原等．
故答案應為：
（1）S₁＞S₂
（2）原生質層原生質層能主動轉運有關物質而半透膜不能（或原生質具有選擇透過性）
（3）①X②（發生）質壁分離
（4）KNO₃溶液中的細胞質壁分離後會自動復原
（5）洋蔥根尖--低溫誘導染色體數目的變化 洋蔥鱗片葉內表皮--觀察DNA和RNA在細胞中的分布

C. 滲透裝置濃度大小判斷

（1）據圖甲分析，漏斗液面上升，水分是從低濃度溶液流向高濃度溶液，故a小於b．當液面不再上升時，半透膜兩側壓力相等，滲透作用平衡，但是a仍然小於b．
（2）假如圖一裝置中，1為清水，2為稀澱粉糊，若分別向1和2中各滴3滴碘液，結果是只有液體2變藍，說明澱粉（大）分子不能通過半透膜．
（3）選用紫色洋蔥鱗片葉外表皮細胞作為質壁分離和復原的實驗材料，原因是細胞內有大的液泡，並且液泡呈紫色，易於觀察．每個外表皮細胞都可看成一個滲透裝置，因為原生質層相當於圖甲中的3（半透膜），細胞液
相當於圖一中的2．
（4）①由於蘿卜條A的重量變化大於蘿卜條B，所以蘿卜條A細胞液濃度大於蘿卜條B細胞液濃度．
②在甲蔗糖溶液中加入適量的清水，一段時間後蘿卜條A吸水，其細胞液濃度降低．
故答案為：
（1）小於
（2）澱粉（大）分子不能通過半透膜
（3）細胞內有大的液泡，並且液泡呈紫色，易於觀察      原生質層        細胞液
（4）①A的細胞液濃度大於B的細胞液濃度（或A>B）      
②降低

D. 做變水頭滲透實驗通常用什麼滲透裝置

（1）水通抄半透膜低濃度高濃度溶液擴散稱滲透．（2）由題意知低溫否影響物質跨膜運輸進行探究A組用水浴鍋加熱至37℃B組燒杯外加冰塊降溫則自變數滲透系統所處溫度環境差異變數液面高度；（3）該實驗能結與結論：①若1組漏斗液面高度比2組高則說明低溫影響物質跨膜運輸且運輸速率減慢；②2組漏斗液面高度比1組高則說明低溫影響物質跨膜運輸且運輸速度加快；③若1、2組漏斗液面高度相同則說明低溫並影響物質跨膜運輸．（4）低溫影響物質跨膜運輸原低溫抑制酶性影響呼吸作用釋放能量；或者低溫影響細胞膜流性影響其功能．故答案：（1）滲透 （2）滲透系統所處同環境溫度 漏斗內液面高度變化（3）①若1組漏斗液面高度比2組高則說明低溫影響物質跨膜運輸且運輸速率減慢②若2組漏斗液面高度比1組高則說明低溫影響物質跨膜運輸且運輸速率加快③若1、2組漏斗液面高度相同則說明溫度高低並影響物質跨膜運輸（4）①低溫影響細胞膜流性影響其功能 ②低溫影響酶性影響呼吸作用釋放能量程

E. 實驗二 達西滲透實驗

1.實驗目的

1)通過穩定流條件下的滲透實驗，進一步加深理解線性滲透定律———達西定律。

2)加深理解滲透流速(v)、水力坡度(I)、滲透系數(K)之間的關系，並熟悉實驗室測定滲透系數(K)的方法。

2.實驗內容

1)了解達西滲透實驗裝置(圖B-2、圖B-3)。

2)驗證達西滲透定律。

3)測定不同試樣的滲透系數。

3.實驗原理

在岩石空隙中，由於水頭差的作用，水將沿著岩石的空隙運動。由於空隙的大小不同，水在其中運動的規律也不相同。實踐證明，在自然界絕大多數情況下，地下水在岩石空隙中的運動服從線性滲透定律:

圖B-2 達西儀裝置圖(底部進水)

水文地質學概論

式中:Q為滲透流量，m³/d或cm³/s;K為滲透系數，m/d或cm/s;ω為過水斷面面積，m²或cm²;Δh為上、下游過水斷面的水頭差，m或cm;L為滲透途徑的長度，m或cm;I為水力坡度(或稱水力梯度)， ;v為滲透流速，m/d或cm/s。

利用該實驗可驗證達西線性滲透定律:Q=KωI或v=KI。其主要內容為:流量(Q)(或v)與水力坡度(I)的一次方成正比。在實驗時多次調整水力坡度(改變水頭)，看其流量(Q)(或v)的變化是否與水力坡度一次方成正比關系。

實驗時，可直接測定流量(Q)、過水斷面面積(ω)和水力坡度(I)，從而可求出滲透系數(K)值

室內測定滲透系數，主要採用達西儀。其實驗方法有兩種:①達西儀由底部供水，出水口在上部(圖B-2)。實驗過程中，低水頭固定，調節高水頭;②達西儀是由頂部供水，水流經砂柱，由下端流出(圖B-3)。實驗過程中，高水頭固定，調節低水頭，即調節排水口的高低位置。由底部供水的優點是容易排出試樣中的氣泡，缺點是試樣易被沖動。由頂部供水的優缺點與前一種正好相反。本實訓以頂部供水的達西儀為例進行介紹。

4.實驗儀器及用品

1)達西儀(圖B-3)。

2)量筒(500mL)1個。

3)秒錶。

圖B-3 達西儀裝置圖(頂部進水)(編號說明見圖B-2)

4)搗棒。

5)試樣:①礫石(粒徑5～10mm);②砂(粒徑0.6～0.9mm);③砂礫混合(①與②混合)樣。

5.實驗步驟

(1)實驗前的准備工作

1)測量:分別測量金屬圓筒的內徑(d)，根據 計算出過水斷面面積(ω)和各測壓管的間距或滲透途徑(L)，將所得ω、L數據填入表B-2中。

2)裝樣:先在金屬圓筒底部金屬網上裝2～3cm厚的小砂石(防止細粒試樣被水沖走)，再將欲實驗的試樣分層裝入金屬圓筒中，每層3～6cm厚，搗實，使其盡量接近天然狀態的結構，然後自上而下進行注水(排水管2和水源5連接)，使砂逐漸飽和，但水不能超出試樣層面，待飽和後，停止注水。如此繼續分層裝入試樣並飽和，直至試樣高出上測壓管孔3～4cm為止，在試樣上再裝厚3～4cm小礫石作緩沖層，防止沖動試樣。

3)調試儀器:在每次試驗前，先給試樣注水，使試樣全部飽水(此時溢水管7有水流出)待滲流穩定後，停止注水。然後檢查3個測壓管中水面與金屬圓筒溢水面是否保持水平，如水平，說明管內無氣泡，可做實驗。如不水平，說明管內有氣泡，需排出。排氣泡的方法是用吸耳球對准水頭偏高的測壓管緩慢吸水，使管內氣泡和水流一起排出。用該方法使3個測壓管中水面水平，此時儀器方可進行實驗。

以上工作也可由實驗室教師在實驗課前完成。

(2)正式進行實驗

1)測定水頭:把水源5與排水管2分開，將排水管2放在一定高度上，打開水源5使金屬圓管內產生水頭差，水在試驗中從上往下滲透，並經排水口流出，此時溢水管7要有水溢出(保持常水頭)。當3個測壓管水頭穩定後，測得各測壓管的水頭，並計算出相鄰兩測壓管水頭差，填入表B-2中。

2)測定流量:在進行上述步驟的同時，利用秒錶和量筒測量時間(t)內排水管流出的水體積，及時計算流量(Q)。連續兩次，使流量的相對誤差小於5%(相對誤差(δ)= ，Q₁、Q₂分別為兩次實驗流量值，取平均值填入表B-2中。

表B-2 達西滲流實驗報告表

3)按由高到低或由低到高的順序，依次調節排水管口的高度位置，改變Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3個測壓管的水頭管讀數。重復步驟1和2，做2～4次，即完成3～5次實驗，取得3～5組實驗數據。

實驗過程中注意:①實驗過程中要及時排除氣泡，並保持常水頭;②為准確繪制v-I曲線，要求測點分布均勻，即流量(水頭差)的變化要控制適度。

(3)資料整理

依據以上實驗數據，按達西公式計算出滲透系數值，並求出其平均值，填入表B-2中。

6.實驗成果

1)提交實驗報告(表B-2)。

2)抄錄其他小組另外兩種不同試樣的實驗數據(有時間時，可自己動手做)。在同一坐標系內，以v(滲透流速)為縱坐標，I(水力坡度)為橫坐標，繪出3種試樣的v-I曲線，驗證達西定律。

復習思考題

1.當試樣中水未流動時，3個測壓管的水頭與溢水口水面保持在同一高度，為什麼?

2.為什麼要在測壓管水頭穩定後再測定流量?

3.三種試樣的v-I曲線是否符合達西定律?試分析其原因。

4.比較不同試樣的滲透系數(K)值，分析影響K值的因素?

5.在實驗過程中為什麼要保持常水頭?

6.將達西儀平放或斜放進行實驗時，其實驗結果是否相同?為什麼?

F. 什麼是滲透系數滲透系數的測定方法

滲透系數K是綜合反映土體滲透能力的一個指標，其數值的正確確定對滲透計算有著非常重要的意義。那麼你對滲透系數了解多少呢?以下是由我整理關於什麼是滲透系數的內容，希望大家喜歡!

滲透系數的介紹
滲透系數又稱水力傳導系數(hydraulic conctivity)。在各向同性介質中，它定義為單位水力梯度下的單位流量，表示流體通過孔隙骨架的難易程度，表達式為：κ=kρg/η，式中k為孔隙介質的滲透率，它只與固體骨架的性質有關，κ為滲透系數;η為動力粘滯性系數;ρ為流體密度;g為重力加速度。在各向異性介質中，滲透系數以張量形式表示。滲透系數愈大，岩石透水性愈強。強透水的粗砂礫石層滲透系數>10米/晝夜;弱透水的亞砂土滲透系數為1～0.01米/晝夜;不透水的粘土滲透系數<0.001米/晝夜。據此可見土壤滲透系數決定於土壤質地。
滲透系數的計算 方法
影響滲透系數大小的因素很多，主要取決於土體顆粒的形狀、大小、不均勻系數和水的粘滯性等，要建立計算滲透系數k的精確理論公式比較困難，通常可通過試驗方法，包括實驗室測定法和現場測定法或 經驗 估演算法來確定k值。
滲透系數的測定方法
滲透系數的測定方法主要分“實驗室測定”和“野外現場測定“兩大類。

1.實驗室測定法

目前在實驗室中測定滲透系數 k 的儀器種類和試驗方法很多，但從試驗原理上大體可分為”常水頭法“和"變水頭法"兩種。

常水頭試驗法就是在整個試驗過程中保持水頭為一常數，從而水頭差也為常數。 如圖：

試驗時，在透明塑料筒中裝填截面為A，長度為L的飽和試樣，打開水閥，使水自上而下流經試樣，並自出水口處排出。待水頭差△h和滲出流量Q穩定後，量測經過一定時間 t 內流經試樣的水量V，則

V = Q*t = ν*A*t

根據達西定律，v = k*i，則

V = k*(△h/L)*A*t

從而得出

k = q*L / A*△h=Q*L /( A*△h)

常水頭試驗適用於測定透水性大的沙性土的滲透參數。粘性土由於滲透系數很小，滲透水量很少，用這種試驗不易准確測定，須改用變水頭試驗。

變水頭試驗法就是試驗過程中水頭差一直隨時間而變化，其裝置如圖：

水從一根直立的帶有刻度的玻璃管和U形管自下而上流經土樣。試驗時，將玻璃管充水至需要高度後，開動秒錶，測記起始水頭差△h1，經時間 t 後，再測記終了水頭差△h2，通過建立瞬時達西定律，即可推出滲透系數 k 的表達式。

設試驗過程中任意時刻 t 作用於兩段的水頭差為△h，經過時間dt後，管中水位下降dh，則dt時間內流入試樣的水量為

dVe = -a dh

式中 a 為玻璃管斷面積;右端的負號表示水量隨△h的減少而增加。

根據達西定律，dt時間內流出試樣的滲流量為：

dVo = k*i*A*dt = k*(△h/L)*A*dt

式中，A——試樣斷面積;L——試樣長度。

根據水流連續原理， 應有dVe = dVo，即得到

k = (a*L/A*t)㏑(△h1/△h2)

或用常用對數表示，則上式可寫為

k = 2.3*(a*L/A*t)lg(△h1/△h2)

2. 野外現場測定法

滲水試驗(infiltration test)一般採用試坑滲水試驗，是野外測定包氣帶鬆散層和岩層滲透系數的簡易方法。試坑滲水試驗常採用的是試坑法、單環法、和雙環法。

試坑法

是在表層干土中挖一個一定深度(30-50厘米)的方形或圓形試坑，坑底要離 潛水 位3-5米，坑底鋪2一3厘米厚的反濾粗砂，向試坑內注水，必需使試坑中的水位始終高出坑底約10厘米。為了便於觀測坑內水位，在坑底要設置一個標尺。求出單位時間內從坑底滲入的水量Q，除以坑底面積F，即得出平均滲透速度v=Q/F。當坑內水柱高度不大(等於10厘米)時，可以認為水頭梯度近於1，因而K(滲透系數)=V。這個方法適用於測定毛細壓力影響不大的砂類土，如果用在粘性土中，所測定的滲透系數偏高。

單環法

是試坑底嵌入一個高20厘米，直徑35.75厘米的鐵環，該鐵環圈定的面積為1000平方厘米。鐵環壓入坑底部10厘米深，環壁與土層要緊密接觸，環內鋪2一3厘米的反濾粗砂。在試驗開始時，用馬利奧特瓶控制環內水柱，保持在10厘米高度上。試驗一直進行到滲入水量Q固定不變為止，就可以按下式計算滲透速度：v=Q/F，所得的滲透速度即為該鬆散層、岩層的滲透系數值。

雙環法

是試坑底嵌入兩個鐵環，增加一個內環，形成同心環，外環直徑可取0.5米, 內環直徑可取0.25米。試驗時往鐵環內注水，用馬利奧特瓶控制外環和內環的水柱都保持在同一高度上，(例如10厘米)。根據內環取的的資料按上述方法確定鬆散層、岩層的滲透系數值。由於內環中的水只產生垂直方向的滲入，排除了側向滲流帶的誤差，因此，比試坑法和單環法精確度高。內外環之間滲入的水，主要是側向散流及毛細管吸收，內環則是鬆散層和岩層在垂直方向的實際滲透。

當滲水試驗進行到滲入水量趨於穩定時，可按下式精確計算滲透系數(考慮了毛細壓力的附加影響)：K(滲透系數)= QL/ F(H+Z+L)。

式中：

Q-----穩定的滲入水量(立方厘米/分);

F------試坑內環的滲水面積(平方厘米);

Z-----試坑內環中的水厚度(厘米);

H-----毛細管壓力(一般等於岩土毛細上升高度的一半)(厘米);

G. 如圖為研究滲透作用的實驗裝置，請回答下列問題：（1）漏斗內溶液（S1）和漏斗外溶液（S2）為兩種不同濃

（1）滲透平衡時液面差△h與濃度差的大小有關，濃度差越大，△h越大；蔗糖是不能穿過半透膜是分子，圖中由於漏斗內的蔗糖溶液濃度高，因此燒杯中的水分子或通過滲透作用進入漏斗，使漏斗內液面升高，滲透平衡時△h會產生壓力與漏斗內因溶液濃度差產生的壓力的大小相等，因此漏斗內的濃度仍然大於漏斗外；滲透平衡時的液面差為△h，此時S₁和S₂濃度大小關系為S₁＞S₂
（2）圖中半透膜模擬的是成熟植物細胞中的原生質層，兩者在物質透過功能上的差異是原生質層能主動轉運有關物質而半透膜不能．
（3）分別在裝置X和Y的漏斗內加入適量的蔗糖溶液和KNO₃溶液，蔗糖不能透過半透膜，滲透平衡時，漏斗內液面高，即X液面高；KNO₃溶液在水中電離成硝酸根離子和鉀離子，離子能透過半透膜，滲透平衡時，漏斗內外液面一樣高；
（4）洋蔥鱗片葉外表皮浸潤在的30%蔗糖溶液會質壁分離，浸潤在KNO₃溶液中，細胞通過主動運輸吸收硝酸根離子和鉀離子，當細胞液濃度大於細胞外液濃度時，細胞又能滲透吸水，所以細胞質壁分離後會自動復原．
（5）如果用洋蔥作為實驗材料提取DNA，應用洗滌劑瓦解細胞膜，從而釋放DNA．在0.14mol/L的NaCl溶液中DNA析出最多．
故答案為：
（1）S₁＞S₂
（2）原生質層原生質層能主動轉運有關物質而半透膜不能
（3）X
（4）質壁分離KNO₃溶液中的細胞質壁分離後會自動復原，而蔗糖溶液中的不會
（5）細胞膜0.14mol/L的NaCl

H. 如圖為研究滲透作用的實驗裝置，漏斗內溶液（S1）和漏斗外溶液（S2）為兩種不同濃度的蔗糖溶液，漏斗內外

A、滲透平衡時，兩種溶液的濃度是S₁濃度^_＞S₂濃度，A錯誤；
B、植物細胞的原回生質層相當於半透膜，包答括的細胞膜、液泡膜及兩者之間的細胞質，B錯誤；
C、則△h的大小與蔗糖溶液濃度有關，蔗糖溶液濃度越大，△h越大，C錯誤；
D、半透膜可以讓K⁺、NO₃^-自由通過，滲透平衡時漏斗內外的液面相同，D正確．
故選：D．

I. 某同學設計了圖示的滲透作用實驗裝置，實驗開始時長頸漏斗內外液面平齊，記作零界面．實驗開始後，長頸漏

A、水從水濃度高的地方向水濃度低的地方運輸，水分子從漏斗中流版出，當進入漏權斗中的水和流出的水一樣多時，達到動態平衡時，液面幾乎不動，A正確；
B、漏斗中的水分子從漏斗中流出道燒杯中，液面應該下降，B錯誤；
C、燒杯中的物質濃度較高，漏斗中的水分子從漏斗中流出到燒杯中，直到進入漏斗中的水和流出的水會一樣多，液面達到動態平衡，C錯誤，
D、液面應該下降，直到進入漏斗中的水和流出的水會一樣多，液面達到動態平衡，D錯誤．
故選：A．

J. 如圖為研究滲透作用的實驗裝置，實驗所用半透膜為玻璃紙，請回答下列問題：（1）漏斗內溶液（S1）和漏斗

（1）一般兩側溶液的濃度並不相等，因為液面高的一側形成的靜水壓，會阻止溶劑由低濃度一側向高濃度一側擴散，故兩者濃度關系仍是S1＞S2．
（2）圖中半透膜模擬成熟植物細胞的原生質層，從功能上，半透膜只是利用孔徑大小控制物質進出；原生質層是選擇透過性膜，靠能量和載體控制物質出入，具有生物活性，可以完成逆濃度梯度的主動運輸，原生質層由細胞膜和液泡膜以及這兩層膜之間的細胞質構成．
（3）①蔗糖分子不能通過半透膜，而KNO₃能夠通過半透膜，滲透平衡時裝置X能出現液面差，裝置Y不能出現液面差．故滲透平衡時，X漏斗內的液面高於燒杯里的液面，Y漏斗內的液面等於燒杯里的液面．
②觀察洋蔥鱗片葉表皮細胞發生質壁分離和復原現象，選潔凈的載玻片分別編號，在載玻片中央分別滴加蒸餾水，製作臨時裝片後觀察洋蔥表皮細胞的初始狀態．用低倍顯微鏡觀察到整個細胞呈現紫色，原因是紫色物質存在於占據了細胞大部分空間的液泡中．
③蔗糖分子不能透過原生質層，蔗糖溶液中的細胞質壁分離後不會自動復原，KNO3能被細胞吸收，導致細胞液和外界溶液的濃度差被消除，從而發生質壁分離自動復原的現象．
（4）上述實驗中最能體現兩種膜功能差異的實驗現象是KNO₃溶液中的植物細胞質壁分離後會自動復原．
故答案為：
（1）S₁＞S₂
（2）原生質層細胞膜和液泡膜以及這兩層膜之間的細胞質
（3）①高於等於
②蒸餾水中央液泡
③發生質壁分離質壁分離後會自動復原
（4）KNO₃溶液中的植物細胞質壁分離後會自動復原