渗流实验装置

A. Ⅰ．某兴趣小组设计了两套渗透装置来探究关于渗透作用的问题．（1）图1所示的甲、乙、丙三个渗透装置中，

Ⅰ（1）①根据题意和图示分析可知：三个渗透装置半透膜的面积和所盛蔗糖溶液的体积不同，所以该实验的研究课题为探究溶液上升速率与半透膜面积和溶液体积的关系．
②根据如图2所示结果，不难得出该实验的结论，即溶液上升速率与半透膜面积和溶液的体积有关，成正比例关系．
（2）①由于B溶液浓度大于C溶液，所以于B溶液与清水的浓度差大于C溶液与清水的浓度差，因此B中液面上升的高度比C中的高．
②当液面不再上升时，两溶液浓度大小的关系仍为B＞C．
③同样道理，由于B溶液与清水的浓度差大于C溶液与清水的浓度差，所以A中水分子扩散到B的速率大于A中水分子扩散到C的速率．
Ⅱ（1）试管中的显色反应无需使用显微镜，而观察细胞形态结构的变化需要使用显微镜，所以BCE实验中都是要观察细胞的变化，需要使用显微镜．
（2）A组实验时对生物组织中的蛋白质进行鉴定，根据原理，鉴定蛋白质一般使用双缩脲试剂，遇到蛋白质发生紫色反应；B组实验中用健那绿进行了染色，健那绿能将细胞中的线粒体染成蓝绿色，所以观察的细胞结构为线粒体；D组实验为探究pH值对酶活性的影响，故挂差的指标为双氧水单位时间内水解生成的氧气气泡数．
故答案为：
Ⅰ．（1）①半透膜面积和溶液体积
②成正比（或成正相关）
（2）①（见图）

②B＞C③大于
Ⅱ．（1）BCE
（2）双缩脲试剂（缺“试剂”不给分）紫色蓝绿气泡数

B. 安徽理工大学地球与环境学院的实验室建设

是根据地质工程、环境工程、以及资源环境与城乡规划管理专业的要求而设立的专专业基础实验属室。实验室主要为学生开设流体静力学、流体动力学和多孔介质渗透动力学实验等内容，目的为学生进一步巩固和加深对理论的理解，培养学生的实践能力和创新能力。
本实验室主要仪器设备有：渗透仪、水静压强仪、流体力学综合实验台、雷诺仪以及非稳定流达西仪、能量方程仪、流态演示仪和无压条件下渗流实验装置，自动化水位监测系统装置。水动力学实验室(1)主要为流体力学实验；水动力学实验室(2)主要为渗流力学实验。
实验室承担以上三个专业本科生实验教学，为开设的《工程流体力学》、《地下水动力学》、《水文地质学基础》等课程服务。
除完成日常教学工作外，本实验室还开设《地下水动力学开放性实验》，通过该项实践活动，不仅培养了学生对地下水渗流运动基本规律敏锐观察和分析力，也为启迪新思想，创建新方法，造就高素质新型人才奠定基础。

C. 达西渗流实验中为什么在测压管稳定后测流量

达西渗流定律流体在多孔介质内运动的基本规律，也是从宏观角度描述渗流过程的统计规律，这个定律是1856年法国水利工程师达西为解决水的净化问题从大量实验中总结出来的。
达西在1856年通过了大量的实验研究，总结得出渗流能量损失与渗流速度之间的关系，即达西定律。
达西定律：
渗流的达西定律
渗流的达西定律
达西实验装置如图所示。圆筒横断面积为A，其中充填均匀的砂粒，砂层厚度为l，由金属网支托。水由稳压水箱经水管A流入圆筒中，再经砂层渗滤后由出水管B流出。其流量由量筒C量测，在砂层上下两端装测压管以量测渗流的水头损失。由于渗流流速极小，所以流速水头可以忽略不计，总水头可用测压管水头来表示，水力坡度可以用测压管坡度来表示：
达西分析了大量实验资料，得到圆筒内的渗流量Q与圆筒横断面积A和水力坡度J成正比，并和砂层的透水性能有关。达西建立的基本关系为：Q=kAJ,也可以写成V=Q/A=kJ，式中 k为渗流系数，反映了土壤的透水性能。
实验发现，随着雷诺数Re的增加，多孔介质（砂层）中的流动状态经历三个区域：①线性层流区：粘性力占优势，达西定律成立，上限约在Re=10左右；②非线性层流区(过渡区)：为主要被惯性力制约的层流，达西定律不成立，上限约在Re=100左右，在上限附近开始有层流到湍流的过渡；③湍流区：惯性力占优势，达西定律不成立。由此可见，从上限雷诺数方面偏离达西定律与层流到湍流的过渡不是完全等价的。
在渗流速度很低时，流体与介质间的表面分子力作用显得更为重要。部分液体的滞流现象使孔隙度发生变化，从而引起渗透率的相应变化。实验表明，这时孔隙度和渗透率均随渗流速度的增加而增加，速度到某一临界值后不再变化，因此不遵循达西定律。
在雷诺数大于上限Re数的情况下，应该用“渗流的二项式定律”代替达西定律，即式中A、B为决定于流体和介质性质的常数。在雷诺数小于下限Re数情况下，非线性渗流定律的一般形式可写为：
式中f(J)为小雷诺数情况下渗透率随水力坡度的变化函数关系，由实验确定。
以上主要是单相流体达西渗流定律；对于多相流体，达西定律对每一相仍然成立，只需将渗透率修正为该相的相渗透率即可。

D. 如图为研究渗透作用的实验装置，请回答下列问题：（1）漏斗内溶液（S1）和漏斗外溶液（S2）为两种不同浓

（1）分析题图的渗透装置可知，一段时间后，漏斗内的液面上升，说明水分从烧杯进入漏斗，因此漏斗内溶液（S₁）的浓度大于漏斗外溶液（S₂）的浓度．
（2）成熟的植物细胞的原生质层相当于渗透装置中的半透膜；二者的不同在于原生质层的选择透过性具有生物活性，半透膜无生物活性．
（3）①由于蔗糖分大，不能穿过半透膜，因此装置X出现液面差；K⁺和NO3^-小，可以穿过半透膜，因此Y装置不会出现液面差．
②由于0.3g/mL的蔗糖溶液和等渗的KNO₃溶液都大于细胞液的浓度，细胞通过渗透作用失水，因此都会发生质壁分离现象．
（4）由于原生质层能主动吸收K⁺和NO3^-，使细胞液浓度增加，当细胞液浓度大于外界溶液浓度时，细胞会通过渗透作用吸水，因此发生质壁分离复原的现象；最能体现两种膜功能差异的实验现象是KNO₃溶液中的细胞质壁分离后会自动复原．
（5）洋葱在高中生物实验中可以作为多个实验的实验材料，如洋葱根尖--观察植物细胞的有丝分裂，洋葱根尖--低温诱导染色体数目的变化；洋葱鳞片叶内表皮--观察DNA和RNA在细胞中的分布；洋葱绿色（管状）叶--叶绿体中色素的提取和分离（或观察叶绿体）；白色洋葱--检测生物组织中的还原糖（或DNA的粗提取与鉴定）；紫色洋葱鳞片叶外表皮--观察质壁分离和复原等．
故答案应为：
（1）S₁＞S₂
（2）原生质层原生质层能主动转运有关物质而半透膜不能（或原生质具有选择透过性）
（3）①X②（发生）质壁分离
（4）KNO₃溶液中的细胞质壁分离后会自动复原
（5）洋葱根尖--低温诱导染色体数目的变化 洋葱鳞片叶内表皮--观察DNA和RNA在细胞中的分布

E. 某同学制作了如图1所示的渗透作用装置

水从水浓度高的地方向水浓度低的地方运输，烧杯中为蒸馏水，漏斗中为蔗糖溶液，因版此最开始时，水分子进权入漏斗的量大于流出的量，当进入漏斗中的水和流出的水一样多时，达到动态平衡时，液面几乎不动，故长颈漏斗内部液面的变化趋势是先升高后维持在一定数值．
故选：B．

F. 实验二 达西渗流实验

一、实验目的

1. 通过稳定流渗流实验，进一步理解渗流基本定律———达西定律。

2. 加深理解渗透流速、水力梯度、渗透系数之间的关系，并熟悉实验室测定渗透系数的方法。

二、实验内容

1. 了解达西实验装置与原理。

2. 测定 3 种砂砾石试样的渗透系数。

3. 设计性实验: 横卧变径式达西渗流实验。

三、达西仪实验原理

达西公式的表达式如下:

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式中: Q 为渗透流量; K 为渗透系数; A 为过水断面面积; ΔH 为上、下游过水断面的水头差; L 为渗透途径; I 为水力梯度。

式中各项水力要素可以在实验中直接测量，利用达西定律即可求取试样的渗透系数 (K) 。

四、实验仪器和用品

1. 达西仪 (见图Ⅰ2-1) 。

2. 试样: ①砾石 (粒径为 5 ～ 10 mm) ; ②粗砂 (粒径为 0. 6 ～ 0. 9 mm) ; ③砂砾混合 (试样①与试样②的混合样) 。

3. 秒表。

4. 量筒 (100 mL，500 mL 各 1 个) 。

5. 计算器。

6. 水温计。

图Ⅰ2-1 达西仪装置图

五、实验步骤

1.测量仪器的几何参数(实验教员准备)。分别测量过水断面的面积(A)，测压管a、b、c的间距或渗透途径(L)，记入表格“实验二达西渗流实验记录表”中。

2.调试仪器。打开进水开关，待水缓慢充满整个试样筒，且出水管有水流出后，慢慢拧动进水开关，调节进水量，使a、c两测压管读数之差最大;同时注意打开排气口，排尽试样中的气泡，使测压管a、b的水头差与测压管b、c的水头差相等(实验教员准备，学生检查)。

3.测定水头。待a、b、c三个测压管的水位稳定后，读出a、c两个测压管的水头值(分别记为H_a和H_c)，记入实验记录表中。

4.测定流量。在进行步骤3的同时，利用秒表和量筒测量t时间内出水管流出的水体积，及时计算流量(Q)。连测两次，使流量的相对误差小于5% ，取平均值记入实验记录表。

5.由大到小调节进水量，改变a、b、c三个测压管的读数，重复步骤3～4。

6.重复第5步骤2～4次，即完成3～5次试验，取得某种试样3～5组数据。

7.换一种试样，选择另外一台仪器重复上述步骤3～6进行实验，将结果记入实验记录表中。

8.按记录表计算实验数据，并抄录其他实验小组不同试样的实验数据(有条件的，可用3种试样做实验)。

9.实验中应注意的问题。

1)实验过程中要及时排除气泡。

2)为使渗透流速-水力梯度(v-I)曲线的测点分布均匀，流量(或水头差)的变化要控制合适。

六、实验成果

1.提交实验报告表，即达西渗流实验记录表。

2.在同一坐标系内绘出3种试样的v-I曲线(实验二用纸)，并分别用这些曲线求出渗透系数(K)，与根据实验记录表中的实验数据计算结果进行对比。

七、思考题(任选2题回答)

1)为什么要在测压管水位稳定后测定流量?

2)讨论3种试样的v-I曲线是否符合达西定律?试分析其原因。

3)将达西仪平放或斜放进行实验时，结果是否相同?为什么?

4)比较不同试样的K值，分析影响渗透系数(K)的因素。

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实验二 达西渗流实验记录表

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实验一用纸

实验二用纸

附 设计性实验

横卧变径式达西渗流实验

一、实验目的

1. 测定稳定流、变过水断面条件下砂性土的渗透系数。

2. 通过实验加深对稳定流条件下达西定律的理解，加深理解渗透流速、过水断面、水力梯度和渗透系数之间的关系。

二、设计性实验内容 (供参考)

1. 将两个砂样柱装同一种砂样，求取砂样的渗透系数。

2. 将两个砂样柱分别装两种砂样，求取两种砂样的渗透系数。

三、实验仪器与用品

1. 横卧变径式达西渗流仪 (图Ⅰ2-2) 。

2. 不同粒径的砂样。

图Ⅰ2-2 横卧变径式达西渗流仪装置图

四、横卧变径式达西渗流仪简介

本仪器主体结构包括横卧变径式有机玻璃试样柱两个，可升降的供水装置以及测压板。每一个试样柱上设有两个测压点与测压板相连，可以测定试样土层对应点的测压水头，了解同一砂样柱或不同砂样柱的水力梯度变化特征。仪器通过升降装置可调节供水装置 (稳定供水箱) 水位，通过进水开关控制流量大小。

五、设计实验要求

1. 查阅相关文献，实验前详细地写出一种砂性土渗透系数测量的实验方案。

2. 根据实验方案设计实验记录表格，要求表达直观，内容齐全，有利于计算分析。

3. 根据设计方案自己动手装样与实验，实验中详细记录实验步骤、数据和现象。

4. 对实验数据、计算结果和观察到的现象进行必要的讨论，并撰写实验报告。报告内容包括: 实验目的、实验原理、实验内容、实验步骤、实验注意事项、实验成果。

G. 高中生物问题

仅用于记忆方法（真正原因不懂）：1.因为溶液都趋于均匀化，所以当溶液液面不再变化，他们的浓度就相等，同种溶液而言。2.液泡膜，这点需要记忆。功能上的差异：一个生物活性，选择透过；一个无生物活性，透过取决粒子直径大小。3.(1)X出现液面高度差，原因蔗糖不能通过半透膜，造成的渗透压吸水一样，里面高。KNO3可以通过。就好像是蔗糖在吸水一样。下面几条你可以对着答案记忆，辅导书上能翻到，生物很多需要记。

H. 实验二 达西渗透实验

1.实验目的

1)通过稳定流条件下的渗透实验，进一步加深理解线性渗透定律———达西定律。

2)加深理解渗透流速(v)、水力坡度(I)、渗透系数(K)之间的关系，并熟悉实验室测定渗透系数(K)的方法。

2.实验内容

1)了解达西渗透实验装置(图B-2、图B-3)。

2)验证达西渗透定律。

3)测定不同试样的渗透系数。

3.实验原理

在岩石空隙中，由于水头差的作用，水将沿着岩石的空隙运动。由于空隙的大小不同，水在其中运动的规律也不相同。实践证明，在自然界绝大多数情况下，地下水在岩石空隙中的运动服从线性渗透定律:

图B-2 达西仪装置图(底部进水)

水文地质学概论

式中:Q为渗透流量，m³/d或cm³/s;K为渗透系数，m/d或cm/s;ω为过水断面面积，m²或cm²;Δh为上、下游过水断面的水头差，m或cm;L为渗透途径的长度，m或cm;I为水力坡度(或称水力梯度)， ;v为渗透流速，m/d或cm/s。

利用该实验可验证达西线性渗透定律:Q=KωI或v=KI。其主要内容为:流量(Q)(或v)与水力坡度(I)的一次方成正比。在实验时多次调整水力坡度(改变水头)，看其流量(Q)(或v)的变化是否与水力坡度一次方成正比关系。

实验时，可直接测定流量(Q)、过水断面面积(ω)和水力坡度(I)，从而可求出渗透系数(K)值

室内测定渗透系数，主要采用达西仪。其实验方法有两种:①达西仪由底部供水，出水口在上部(图B-2)。实验过程中，低水头固定，调节高水头;②达西仪是由顶部供水，水流经砂柱，由下端流出(图B-3)。实验过程中，高水头固定，调节低水头，即调节排水口的高低位置。由底部供水的优点是容易排出试样中的气泡，缺点是试样易被冲动。由顶部供水的优缺点与前一种正好相反。本实训以顶部供水的达西仪为例进行介绍。

4.实验仪器及用品

1)达西仪(图B-3)。

2)量筒(500mL)1个。

3)秒表。

图B-3 达西仪装置图(顶部进水)(编号说明见图B-2)

4)捣棒。

5)试样:①砾石(粒径5～10mm);②砂(粒径0.6～0.9mm);③砂砾混合(①与②混合)样。

5.实验步骤

(1)实验前的准备工作

1)测量:分别测量金属圆筒的内径(d)，根据 计算出过水断面面积(ω)和各测压管的间距或渗透途径(L)，将所得ω、L数据填入表B-2中。

2)装样:先在金属圆筒底部金属网上装2～3cm厚的小砂石(防止细粒试样被水冲走)，再将欲实验的试样分层装入金属圆筒中，每层3～6cm厚，捣实，使其尽量接近天然状态的结构，然后自上而下进行注水(排水管2和水源5连接)，使砂逐渐饱和，但水不能超出试样层面，待饱和后，停止注水。如此继续分层装入试样并饱和，直至试样高出上测压管孔3～4cm为止，在试样上再装厚3～4cm小砾石作缓冲层，防止冲动试样。

3)调试仪器:在每次试验前，先给试样注水，使试样全部饱水(此时溢水管7有水流出)待渗流稳定后，停止注水。然后检查3个测压管中水面与金属圆筒溢水面是否保持水平，如水平，说明管内无气泡，可做实验。如不水平，说明管内有气泡，需排出。排气泡的方法是用吸耳球对准水头偏高的测压管缓慢吸水，使管内气泡和水流一起排出。用该方法使3个测压管中水面水平，此时仪器方可进行实验。

以上工作也可由实验室教师在实验课前完成。

(2)正式进行实验

1)测定水头:把水源5与排水管2分开，将排水管2放在一定高度上，打开水源5使金属圆管内产生水头差，水在试验中从上往下渗透，并经排水口流出，此时溢水管7要有水溢出(保持常水头)。当3个测压管水头稳定后，测得各测压管的水头，并计算出相邻两测压管水头差，填入表B-2中。

2)测定流量:在进行上述步骤的同时，利用秒表和量筒测量时间(t)内排水管流出的水体积，及时计算流量(Q)。连续两次，使流量的相对误差小于5%(相对误差(δ)= ，Q₁、Q₂分别为两次实验流量值，取平均值填入表B-2中。

表B-2 达西渗流实验报告表

3)按由高到低或由低到高的顺序，依次调节排水管口的高度位置，改变Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个测压管的水头管读数。重复步骤1和2，做2～4次，即完成3～5次实验，取得3～5组实验数据。

实验过程中注意:①实验过程中要及时排除气泡，并保持常水头;②为准确绘制v-I曲线，要求测点分布均匀，即流量(水头差)的变化要控制适度。

(3)资料整理

依据以上实验数据，按达西公式计算出渗透系数值，并求出其平均值，填入表B-2中。

6.实验成果

1)提交实验报告(表B-2)。

2)抄录其他小组另外两种不同试样的实验数据(有时间时，可自己动手做)。在同一坐标系内，以v(渗透流速)为纵坐标，I(水力坡度)为横坐标，绘出3种试样的v-I曲线，验证达西定律。

复习思考题

1.当试样中水未流动时，3个测压管的水头与溢水口水面保持在同一高度，为什么?

2.为什么要在测压管水头稳定后再测定流量?

3.三种试样的v-I曲线是否符合达西定律?试分析其原因。

4.比较不同试样的渗透系数(K)值，分析影响K值的因素?

5.在实验过程中为什么要保持常水头?

6.将达西仪平放或斜放进行实验时，其实验结果是否相同?为什么?