55长水头渗透实验装置

A. 为什么要分常水头实验和变水头实验

实验采用电化学渗透方法测定氢在车轮钢中的扩散行为，实验装置示意如图5.3。
试样加在两电解槽中间，用螺钉固定。试样两边是两个互不相通的电解槽，电解槽A为充氢槽，和它相接触的样品表面叫充氢面。

B. 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

C. 渗透装置浓度大小判断

（1）据图甲分析，漏斗液面上升，水分是从低浓度溶液流向高浓度溶液，故a小于b．当液面不再上升时，半透膜两侧压力相等，渗透作用平衡，但是a仍然小于b．
（2）假如图一装置中，1为清水，2为稀淀粉糊，若分别向1和2中各滴3滴碘液，结果是只有液体2变蓝，说明淀粉（大）分子不能通过半透膜．
（3）选用紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞作为质壁分离和复原的实验材料，原因是细胞内有大的液泡，并且液泡呈紫色，易于观察．每个外表皮细胞都可看成一个渗透装置，因为原生质层相当于图甲中的3（半透膜），细胞液
相当于图一中的2．
（4）①由于萝卜条A的重量变化大于萝卜条B，所以萝卜条A细胞液浓度大于萝卜条B细胞液浓度．
②在甲蔗糖溶液中加入适量的清水，一段时间后萝卜条A吸水，其细胞液浓度降低．
故答案为：
（1）小于
（2）淀粉（大）分子不能通过半透膜
（3）细胞内有大的液泡，并且液泡呈紫色，易于观察      原生质层        细胞液
（4）①A的细胞液浓度大于B的细胞液浓度（或A>B）      
②降低

D. 做变水头渗透实验通常用什么渗透装置

（1）水通抄半透膜低浓度高浓度溶液扩散称渗透．（2）由题意知低温否影响物质跨膜运输进行探究A组用水浴锅加热至37℃B组烧杯外加冰块降温则自变量渗透系统所处温度环境差异变量液面高度；（3）该实验能结与结论：①若1组漏斗液面高度比2组高则说明低温影响物质跨膜运输且运输速率减慢；②2组漏斗液面高度比1组高则说明低温影响物质跨膜运输且运输速度加快；③若1、2组漏斗液面高度相同则说明低温并影响物质跨膜运输．（4）低温影响物质跨膜运输原低温抑制酶性影响呼吸作用释放能量；或者低温影响细胞膜流性影响其功能．故答案：（1）渗透 （2）渗透系统所处同环境温度 漏斗内液面高度变化（3）①若1组漏斗液面高度比2组高则说明低温影响物质跨膜运输且运输速率减慢②若2组漏斗液面高度比1组高则说明低温影响物质跨膜运输且运输速率加快③若1、2组漏斗液面高度相同则说明温度高低并影响物质跨膜运输（4）①低温影响细胞膜流性影响其功能 ②低温影响酶性影响呼吸作用释放能量程

E. 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?

F. 什么是渗透系数渗透系数的测定方法

渗透系数K是综合反映土体渗透能力的一个指标，其数值的正确确定对渗透计算有着非常重要的意义。那么你对渗透系数了解多少呢?以下是由我整理关于什么是渗透系数的内容，希望大家喜欢!

渗透系数的介绍
渗透系数又称水力传导系数(hydraulic conctivity)。在各向同性介质中，它定义为单位水力梯度下的单位流量，表示流体通过孔隙骨架的难易程度，表达式为：κ=kρg/η，式中k为孔隙介质的渗透率，它只与固体骨架的性质有关，κ为渗透系数;η为动力粘滞性系数;ρ为流体密度;g为重力加速度。在各向异性介质中，渗透系数以张量形式表示。渗透系数愈大，岩石透水性愈强。强透水的粗砂砾石层渗透系数>10米/昼夜;弱透水的亚砂土渗透系数为1～0.01米/昼夜;不透水的粘土渗透系数<0.001米/昼夜。据此可见土壤渗透系数决定于土壤质地。
渗透系数的计算 方法
影响渗透系数大小的因素很多，主要取决于土体颗粒的形状、大小、不均匀系数和水的粘滞性等，要建立计算渗透系数k的精确理论公式比较困难，通常可通过试验方法，包括实验室测定法和现场测定法或 经验 估算法来确定k值。
渗透系数的测定方法
渗透系数的测定方法主要分“实验室测定”和“野外现场测定“两大类。

1.实验室测定法

目前在实验室中测定渗透系数 k 的仪器种类和试验方法很多，但从试验原理上大体可分为”常水头法“和"变水头法"两种。

常水头试验法就是在整个试验过程中保持水头为一常数，从而水头差也为常数。 如图：

试验时，在透明塑料筒中装填截面为A，长度为L的饱和试样，打开水阀，使水自上而下流经试样，并自出水口处排出。待水头差△h和渗出流量Q稳定后，量测经过一定时间 t 内流经试样的水量V，则

V = Q*t = ν*A*t

根据达西定律，v = k*i，则

V = k*(△h/L)*A*t

从而得出

k = q*L / A*△h=Q*L /( A*△h)

常水头试验适用于测定透水性大的沙性土的渗透参数。粘性土由于渗透系数很小，渗透水量很少，用这种试验不易准确测定，须改用变水头试验。

变水头试验法就是试验过程中水头差一直随时间而变化，其装置如图：

水从一根直立的带有刻度的玻璃管和U形管自下而上流经土样。试验时，将玻璃管充水至需要高度后，开动秒表，测记起始水头差△h1，经时间 t 后，再测记终了水头差△h2，通过建立瞬时达西定律，即可推出渗透系数 k 的表达式。

设试验过程中任意时刻 t 作用于两段的水头差为△h，经过时间dt后，管中水位下降dh，则dt时间内流入试样的水量为

dVe = -a dh

式中 a 为玻璃管断面积;右端的负号表示水量随△h的减少而增加。

根据达西定律，dt时间内流出试样的渗流量为：

dVo = k*i*A*dt = k*(△h/L)*A*dt

式中，A——试样断面积;L——试样长度。

根据水流连续原理， 应有dVe = dVo，即得到

k = (a*L/A*t)㏑(△h1/△h2)

或用常用对数表示，则上式可写为

k = 2.3*(a*L/A*t)lg(△h1/△h2)

2. 野外现场测定法

渗水试验(infiltration test)一般采用试坑渗水试验，是野外测定包气带松散层和岩层渗透系数的简易方法。试坑渗水试验常采用的是试坑法、单环法、和双环法。

试坑法

是在表层干土中挖一个一定深度(30-50厘米)的方形或圆形试坑，坑底要离 潜水 位3-5米，坑底铺2一3厘米厚的反滤粗砂，向试坑内注水，必需使试坑中的水位始终高出坑底约10厘米。为了便于观测坑内水位，在坑底要设置一个标尺。求出单位时间内从坑底渗入的水量Q，除以坑底面积F，即得出平均渗透速度v=Q/F。当坑内水柱高度不大(等于10厘米)时，可以认为水头梯度近于1，因而K(渗透系数)=V。这个方法适用于测定毛细压力影响不大的砂类土，如果用在粘性土中，所测定的渗透系数偏高。

单环法

是试坑底嵌入一个高20厘米，直径35.75厘米的铁环，该铁环圈定的面积为1000平方厘米。铁环压入坑底部10厘米深，环壁与土层要紧密接触，环内铺2一3厘米的反滤粗砂。在试验开始时，用马利奥特瓶控制环内水柱，保持在10厘米高度上。试验一直进行到渗入水量Q固定不变为止，就可以按下式计算渗透速度：v=Q/F，所得的渗透速度即为该松散层、岩层的渗透系数值。

双环法

是试坑底嵌入两个铁环，增加一个内环，形成同心环，外环直径可取0.5米, 内环直径可取0.25米。试验时往铁环内注水，用马利奥特瓶控制外环和内环的水柱都保持在同一高度上，(例如10厘米)。根据内环取的的资料按上述方法确定松散层、岩层的渗透系数值。由于内环中的水只产生垂直方向的渗入，排除了侧向渗流带的误差，因此，比试坑法和单环法精确度高。内外环之间渗入的水，主要是侧向散流及毛细管吸收，内环则是松散层和岩层在垂直方向的实际渗透。

当渗水试验进行到渗入水量趋于稳定时，可按下式精确计算渗透系数(考虑了毛细压力的附加影响)：K(渗透系数)= QL/ F(H+Z+L)。

式中：

Q-----稳定的渗入水量(立方厘米/分);

F------试坑内环的渗水面积(平方厘米);

Z-----试坑内环中的水厚度(厘米);

H-----毛细管压力(一般等于岩土毛细上升高度的一半)(厘米);

G. 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）渗透平衡时液面差△h与浓度差的大小有关，浓度差越大，△h越大；蔗糖是不能穿过半透膜是分子，图中由于漏斗内的蔗糖溶液浓度高，因此烧杯中的水分子或通过渗透作用进入漏斗，使漏斗内液面升高，渗透平衡时△h会产生压力与漏斗内因溶液浓度差产生的压力的大小相等，因此漏斗内的浓度仍然大于漏斗外；渗透平衡时的液面差为△h，此时S₁和S₂浓度大小关系为S₁＞S₂
（2）图中半透膜模拟的是成熟植物细胞中的原生质层，两者在物质透过功能上的差异是原生质层能主动转运有关物质而半透膜不能．
（3）分别在装置X和Y的漏斗内加入适量的蔗糖溶液和KNO₃溶液，蔗糖不能透过半透膜，渗透平衡时，漏斗内液面高，即X液面高；KNO₃溶液在水中电离成硝酸根离子和钾离子，离子能透过半透膜，渗透平衡时，漏斗内外液面一样高；
（4）洋葱鳞片叶外表皮浸润在的30%蔗糖溶液会质壁分离，浸润在KNO₃溶液中，细胞通过主动运输吸收硝酸根离子和钾离子，当细胞液浓度大于细胞外液浓度时，细胞又能渗透吸水，所以细胞质壁分离后会自动复原．
（5）如果用洋葱作为实验材料提取DNA，应用洗涤剂瓦解细胞膜，从而释放DNA．在0.14mol/L的NaCl溶液中DNA析出最多．
故答案为：
（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
（3）X
（4）质壁分离KNO₃溶液中的细胞质壁分离后会自动复原，而蔗糖溶液中的不会
（5）细胞膜0.14mol/L的NaCl

H. 如图为研究渗透作用的实验装置，漏斗内溶液（S1）和漏斗外溶液（S2）为两种不同浓度的蔗糖溶液，漏斗内外

A、渗透平衡时，两种溶液的浓度是S₁浓度^_＞S₂浓度，A错误；
B、植物细胞的原回生质层相当于半透膜，包答括的细胞膜、液泡膜及两者之间的细胞质，B错误；
C、则△h的大小与蔗糖溶液浓度有关，蔗糖溶液浓度越大，△h越大，C错误；
D、半透膜可以让K⁺、NO₃^-自由通过，渗透平衡时漏斗内外的液面相同，D正确．
故选：D．

I. 某同学设计了图示的渗透作用实验装置，实验开始时长颈漏斗内外液面平齐，记作零界面．实验开始后，长颈漏

A、水从水浓度高的地方向水浓度低的地方运输，水分子从漏斗中流版出，当进入漏权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，A正确；
B、漏斗中的水分子从漏斗中流出道烧杯中，液面应该下降，B错误；
C、烧杯中的物质浓度较高，漏斗中的水分子从漏斗中流出到烧杯中，直到进入漏斗中的水和流出的水会一样多，液面达到动态平衡，C错误，
D、液面应该下降，直到进入漏斗中的水和流出的水会一样多，液面达到动态平衡，D错误．
故选：A．

J. 如图为研究渗透作用的实验装置，实验所用半透膜为玻璃纸，请回答下列问题：（1）漏斗内溶液（S1）和漏斗

（1）一般两侧溶液的浓度并不相等，因为液面高的一侧形成的静水压，会阻止溶剂由低浓度一侧向高浓度一侧扩散，故两者浓度关系仍是S1＞S2．
（2）图中半透膜模拟成熟植物细胞的原生质层，从功能上，半透膜只是利用孔径大小控制物质进出；原生质层是选择透过性膜，靠能量和载体控制物质出入，具有生物活性，可以完成逆浓度梯度的主动运输，原生质层由细胞膜和液泡膜以及这两层膜之间的细胞质构成．
（3）①蔗糖分子不能通过半透膜，而KNO₃能够通过半透膜，渗透平衡时装置X能出现液面差，装置Y不能出现液面差．故渗透平衡时，X漏斗内的液面高于烧杯里的液面，Y漏斗内的液面等于烧杯里的液面．
②观察洋葱鳞片叶表皮细胞发生质壁分离和复原现象，选洁净的载玻片分别编号，在载玻片中央分别滴加蒸馏水，制作临时装片后观察洋葱表皮细胞的初始状态．用低倍显微镜观察到整个细胞呈现紫色，原因是紫色物质存在于占据了细胞大部分空间的液泡中．
③蔗糖分子不能透过原生质层，蔗糖溶液中的细胞质壁分离后不会自动复原，KNO3能被细胞吸收，导致细胞液和外界溶液的浓度差被消除，从而发生质壁分离自动复原的现象．
（4）上述实验中最能体现两种膜功能差异的实验现象是KNO₃溶液中的植物细胞质壁分离后会自动复原．
故答案为：
（1）S₁＞S₂
（2）原生质层细胞膜和液泡膜以及这两层膜之间的细胞质
（3）①高于等于
②蒸馏水中央液泡
③发生质壁分离质壁分离后会自动复原
（4）KNO₃溶液中的植物细胞质壁分离后会自动复原