盲人饮水机的设计

“盲人饮水机”设计与探究
单 位：揭阳第一中学84（4）班“盲人饮水机”课题研究小组 课题组成员：林海如、马琳琳、林明霞、林锦玉、魏奕娜 课题组组长：林锦玉 指导老师：陈克
一、课题的提出
水是人类赖以生存的物质基础，每个人每天都需要喝足量的水，才能补充体力，健康成长。

因此，为了方便生活饮水，满足人们需要，市场上出现了各式各样的饮水机，人们可以根据自己的需要选择购买，并可以随时取水，正常人取水时可以通过目测，适当调节水量。

饮水机的发明给人们带来了方便，它的使用也越来越普遍了。

但是，“盲人饮水机”这个看似熟悉其实很陌生的课题，却激起了我们的好奇心。

它与普通的饮水机会有什么不同呢？是根据什么原理制作的？盲人应如何操作呢？一系列的问题使我们迫切地想知道答案，于是在老师的指导下，我们进行了实验的研究。

二、研究目的
1．培养协作精神，提高自己的学识水平和实验探究能力； 2．改进饮水机的功能，使其更好地为盲人服务。

三、研究方法
老师指导、查阅资料、小组讨论。

四、课题研究过程
1．实验原理
当盲人取水时，将水杯从下方向上顶住弯
管，打开水龙头，由于进气管与大气相通，桶内液面上方通过进气管也与大气相通，水因此流出，当杯中水面升至气管口时，将管口封闭，桶内液面上方气体质量一定，水龙头还会流出一些水，这时，由于液面下降，液面上方空气密度变小，压强变小，直至其压强和桶内水产生压强之和等于大气压强时，水就不会往外流。

盲人即使不关水龙头，水杯内的水面也不会继续上升，这时再关水龙头即可。

只要把杯子移开，进气管又与大气相同，又可以接第二杯水了。

装置图及结构说明
水龙头
进气管
进水口 进水阀门
2．器材说明
图II -1
3．创新设计
①卡式调控区（图Ⅲ-1）
目的：盲人可根据自己需要调节所盛水量，防止浪费。

原理：在进气管始终伸入杯内和水杯位置保持不变的情况下，通过调节弹簧的形变来改变导管伸入水杯的长度。

伸入杯中的进气管越长，管口被液封越快，此时水停止流出，
附：h 1=47.40cm h 2=6.67cm
h 3=5.58cm
d 1=79.35cm d 2=4.88cm
以上数据是本实验所 用饮水箱的部分说明
图Ⅲ-1
② ①
图II -2 水箱简图
① ②
所得水量就少；若伸入越短，所得水量就越多。

安装步骤：A 、取两根橡胶管，用弹簧套住使之连接在一起；
B 、在弹簧外部套上一个橡皮套，并将弹簧与橡
皮套固定在橡胶管上，用胶布包住，防止漏气；
C 、把一个硬质塑料雕刻成图Ⅲ-1②所示；
D 、将调控钮固定在橡胶管上；
E 、将塑料筒固定在饮水箱上半部，进气管伸入筒内，如图Ⅲ-1①所示。

使用说明：A 、将杯子紧贴住水龙头，如图Ⅱ-1；
B 、将调控钮置于卡门Ⅰ，打开水龙头，则可得到1/3杯的水；
（如图Ⅲ-2）
C 、将调控钮置于卡门Ⅲ，则可得到将近满杯的水。

②贮杯盒（图Ⅲ-3）
目的：方便盲人取杯饮水，并且保持水杯的洁净。

原理：轻质塑料杯（上宽下窄，非一次性）从上端下落到达贮杯盒下端时，由于
海绵与其表面产生摩擦，杯受到海绵对它向上的摩擦力（f=G 杯
），所以
不会掉下来。

使用说明：A 、打开盖子，将杯子放进贮杯盒；
B 、从下端握住杯子露出的部分，向下稍用力即可抽出。

③底座（图Ⅲ-4）
目的：a 、使饮水上机有一个固定的
高度，方便水量调控；
b 、防止水资源的无端流失。

注：h 为卡门的高度；
l 为调控钮固定在Ⅲ时，弹簧处于自然长度；L 为调控钮固定在Ⅰ时的弹簧的长度。

（L >h ）
l
ⅢⅡⅠ图Ⅲ- 2
图Ⅲ-4
单位：cm
图Ⅲ-3
a b c
圆筒盒
轻质塑料杯
海绵
下面实验涉及到的符号说明：S 表示水龙头处的水平面，箱内水量用M 表示，进气管水量用m 表示，饮水箱内水的高度H 是指液面到S 的高度，水柱高度h 是指液封面到水柱面的最高位置的高度，h 是指下端导管口位置到液封面的高度。

（如图IV -1）
4．实验过程 （一）第一阶段测试
操作：将杯紧靠水龙头，调节进气管在杯中的位置，打开水龙头。

现象（1）：当水液封进气管时，从水龙头流出的水量逐渐减小，但一段时间后，
又有一小股水不停地流出。

分析：可能是装置气密性不好。

解决方法：在木塞外圈围上水胶布，加强装置气密性。

结果：水流出现周期性暂停。

问题1：水流的周期性暂停与哪些因素有关？
A 、箱内水量（M ）
方法：改变M 的大小，观察水流停流时间的长短。

结论：水量越多，水流停流时间越短；反之，则长。

B 、饮水箱的倾斜度
方法：改变饮水箱前后两侧的高度，观察水流停流时间的长短。

图IV -1
注：上述的后两种倾斜偏向均做了三次倾斜度数的调整（调整度数依次增加）。

结论：水流的周期性暂停与饮水箱的倾斜度无关。

C 、木塞的松紧
方法：用木塞塞紧箱口，然后浸入水里（进气管
管口放置在空气中），如图Ⅳ-2。

挤压饮水 箱，观察是否有汽泡冒出。

现象：木塞周围有气泡冒出，过一会儿就没有了。

分析：当挤压箱壁时，箱内部分气体从木塞疏松
的小孔中跑出来，待木塞完全浸湿后，小 孔基本上被水封住。

试验：将浸湿的木塞塞紧箱口，重新操作，再没有小股水流出的现象。

至此，装置气密性已经完全消除。

现象（2）：当水封住进气管管口时，水被压入进气管中，当水柱高度h=H '时，水柱停止上升，移动水杯或进气管（进气管仍液封），h 不变，如图Ⅳ-3。

（注：H 为饮水箱内水的原高度，H '为水流出后的高度。

）
问题2：导管中水柱的上升高度与箱内水量有什么关系？ 分析验证：打开水龙头时，由于进气管与大气相通，
水在自身压强作用下从水龙头流出（水对S 的压强p=gH ρ,H 不断减小）；当杯中液封进气管时，大气无法进入箱内，由于H 继续减小，导致箱内气体压强减小，杯中水就在外界大气压作用下压入进气管；当水龙头停止流水时，装置内外压强相等，即P 0=P 内+P 柱=P 内+P 水，所以P 水=P 柱，即
H g 'ρ=gh
ρ，所以h=H '。

（注：P 0为大气压强，P 内指箱内水产生的压强，P 水指进气管水柱产生的压强。

）
现象（3）：拿开水杯后，进气管中的水一部分进入饮水箱，
一部分向下流出。

问题3：水杯所盛水量与什么有关？
分析：如图Ⅳ-4①，假设水柱上升到A 停止，这时，
整段水柱（AQ 部分）所受压力为F 0，箱内 气体对水柱的压力为F 内。

图Ⅳ-2
①
②
.
Q
F 0
F 内
G AQ
图Ⅳ-3
A
Q
B
因为水柱不再上升，内外达到平衡，即F 0=F 内＋G AQ （如图Ⅳ-4②）。

（BQ 这一段水柱由于受力平衡抵消，不予考虑）拿开水杯时，F 0减小，则有 F 内＋G AQ >F 0，所以水要往外流，此时，箱内气体体积增大，压强稍微减 小，部分水回流。

小结：
1）装置所需的气密性要求较高，必须且很大程度上与进水口有关；单单将木塞浸湿后再用既不实际也不便于操作，可行的方法是将木塞换成完全固定再进水口的密封的水龙头，一方面不再需要担心木塞是否塞紧，另一方面又不会防碍进水。

2）在导管中形成的水柱的高度与饮水箱内水的高度有着直接的关系，水的高度越大，水柱高度越大，从而在取水完毕后浪费的水量会越多。

可行的方法是饮水箱尽可能制成底面积较大的水箱，这样在等量的水的情况下，可有效地降低水柱的高度。

3）杯中所盛的水的高度与水柱的高度有关，水柱（AQ ）越高，杯中水高度就越高，越容易造成水的溢出而无法控制水量。

以下进行进一步的测试，寻找对策。

（二）第二阶段测试
操作：将杯紧靠水龙头，调节进气管在杯中的位置，打开水龙头。

现象：水液封进气管一段时间后，水不再流出。

分析：杯中所剩水的液面超过进气管管口太多，容易造成溢出。

问题4：杯中液面超过进气管管口的高度（BQ 部分）与哪些因素有关？ A 、饮水箱的水的高度（H ）
方法：调节箱内H 的高度，观察杯中液面超过进气管的高度h '的变化。

现象：箱内H 越大，h '越大；反之，h '越小。

分析：当进气管被液封时，水龙头继续流水，致使箱内气压减小，在外界大气
压作用下，水被压入进气管中，当h ＝H '，整个装置平衡，则箱内H 大，H '也较大；而在这段时间（指从进气管被液封到水柱不再上升这段时间）内从箱内压出的水量m ∆等于进气管中的水柱的量和BQ 部分杯中的水量的和。

设S 1为导管的横截面面积，S 2为水杯横截面平均面积。

则有 BQ AQ m m m +=∆
21)(S h hS S H H '+='-ρρρ （h ＝H '） )(
2
12
S S S H S S H
h +'-='
由于1S S >> 所以2
2
S S H S S H
h '
-≈'
2
)(S S
H H '-=
2
S m ∆=
所以，箱内H 越大的装置，m ∆越大，h '也就越大。

（如图Ⅳ-3） B 、进气管的粗细
方法：改用口径较小的进气管
现象：在箱内M 和进气管在杯中位置不变的情况下，杯中液面到进气管管口的
高度有所减小。

分析：当水液封进气管时，水龙头还会流出一小部分水，箱内气压减小，水被
压进进气管中，因为V 大管>V 小管，在其他条件不变的情况下，使用大管的装置中气体空间比小管的大，则水龙头流出的水量相同时，大管装置的内部气体压强减小量小于小管装置的，为了达到与水龙头外的大气压平衡，大管装置的就要压出更多的水。

注：当水龙头停止出水时，箱内的气体压强加上水对S 的压强等于大气压， 即P 箱＋P 水=P 0
结论：改用小管基本能实现水量调节。

发现问题：改用小管装置，当拿开水杯后，部分水柱仍停留在进气管中，阻止箱
内气体与大气相通，不能很快盛第二杯水。

分析：设管壁对水柱的附着力为f ，水柱自身的
重力为G ，大气对水柱的压力为F ，则当 f ＋F >G 时，水柱无法流出，如图Ⅳ-5①； 当f ＋G >F 时，水柱无法进入箱内，如图Ⅳ-5②。

小结：
1）饮水箱中水的高度不仅影响水柱的高度，同样也影响着水杯中的水量。

可
行的方法是尽可能制成底面积较大的饮水箱，改用口径较大的杯子。

2）进气管的粗细影响取水量和取水时间，可考虑改用适中的进气管，既不太
粗又不太细。

① ② 图Ⅳ-5
五、心得体会
本着一颗好奇心和自信心，我们选择了这个课题。

在整个研究过程中，组员们各抒己见，带着对问题的看法和依据共同商讨，最后将问题解决，这些都是一种思维与创新的奔放，也为我们的智慧和才能提供了一个意外的舞台。

通过这次研究活动，我们知道了科学容不得浮夸，急于求成的思想更是要不得。

科学需要的是一种严谨求实的精神。

虽然在实验的过程中难免碰壁，甚至出现组内意见分歧难以抉择的局面，但大家的求知欲望和思维的拓展，更培养了我们理论联系实际的能力。

对盲人饮水机的设计与改进的确不是一件容易的事，但看到自己研究的成果，心中之喜尽在不言中。

由于时间太紧，我们对这次研究还不够深入，希望后来者继续对这个课题进行研究，使盲人饮水机能真正服务于社会。

真理诞生于一百个问号之后。

大胆地道出心中所想，并付诸实践，或许明日伟大地科学家将会是你、是我、或是他。

六、指导老师评语分析
随着社会的发展，弱势群体越来越得到人们的关注，其中为数甚多的残疾人群体也成为了人们关注的一个焦点。

本课题针对盲人在生活中的不便，提出盲人饮水机的设想，并期望通过实验取得较为合理的效果。

该组成员本着一种严谨求实的精神，善于对事物进行细致的观察，这是这组成员的特点。

从发现问题、分析问题到解决问题，研究的思路非常有条理性，目的明确；工作中一丝不苟，不放过任何一个可能性，具备一定的科学探究能力及数据处理能力。

整个课题实验过程，该组成员以己推人，提出了不少建设性的问题，完善了盲人饮水机的某些不足。

但值得一提的是在实验中未能解决两个重要的问题：盲人饮水机取水时间间隔大，取水速度慢。

设计装置操作也较为严格，不易推广使用。

如果有时间，应致力于将这些问题进一步解决。