張正直++張一涵

木桶浴作為一種健康的沐浴方式，能加快血液流動(dòng)、緩解疲勞，在木桶中加入藥粉還能起到治病、美容的效果?？墒?，洗完木桶浴后廢水的二次利用問題也隨之而來。

如何讓洗澡水經(jīng)過濾水處理之后，可以盛放在木桶里以供二次利用？帶著這個(gè)問題，我們開始了創(chuàng)新研究。

一、方案構(gòu)思

如何讓浴桶里用過的水變干凈？我們首先想到的是過濾。哪種過濾方式最適合？過濾后的水不能腐蝕木桶，也不能影響視覺觀感，主要用于洗拖把、抹布、沖廁所等。

洗澡水 一、仙女杯的成像原理

凡是見過仙女杯的朋友都會(huì)為它的美觀、奇特驚嘆不已。它的外形如同一個(gè)倒置的銅鈴，杯口較大，安裝在細(xì)腳玻璃杯座上，在外壁上恰到好處地繪有美麗的花紋或圖案，杯口用金絲鑲飾，杯底中央嵌裝一塊小小的 凸透鏡。

空杯時(shí)，只能看到杯壁上亮麗的花紋和奇異的圖案?？梢坏┱迦霛崈舻乃?，就會(huì)發(fā)現(xiàn)杯中的仙女隨即出現(xiàn)，栩栩如生，隨著時(shí)間的推移，仙女的舞姿變幻無窮。這是為什么？

原來，在杯腳里有一根非常細(xì)的游絲，游絲的一端固定，另一端連著一個(gè)彩色的仙女圖案。此時(shí)仙女恰好位于杯底小凸透鏡的焦點(diǎn)外側(cè)小于2倍的焦距處。當(dāng)杯中無水時(shí)，美麗的仙女經(jīng)過凸透鏡形成的是放大的實(shí)像。為什么我們看不到這個(gè)實(shí)像？

其一，由于該實(shí)像與人眼位于凸透鏡的同側(cè)，人眼難以恰好位于成像所在的位置，所以難以看清它。

其二，根據(jù)日常生活經(jīng)驗(yàn)，在漆黑的夜晚，當(dāng)室內(nèi)亮著燈時(shí)，人眼從室內(nèi)難以看到室外的人或景物，但室外的人可以清楚地看到室內(nèi)的人或景物。

這是因?yàn)槿搜垡曃锞哂小斑x擇性”，也可以說是“惰性”，即人眼只對(duì)背景中亮麗或暗淡的部分比較敏感，而對(duì)被強(qiáng)光所抑制的光線不敏感。即人在暗處接受亮處來的光線能產(chǎn)生反應(yīng)，而在亮處對(duì)從暗處來的光線常常會(huì)“視而不見”。

為什么在杯中倒入水就能看到仙女？這是因?yàn)楫?dāng)向杯中倒水時(shí)，水容易浸潤玻璃，使杯中的水與杯壁及杯底形成一個(gè)凹透鏡。凹透鏡對(duì)光具有發(fā)散作用，該凹透鏡又與杯中的小凸透鏡組合，形成一個(gè)復(fù)合透鏡。

復(fù)合透鏡的焦距比杯中的小凸透鏡的焦距大，削弱了對(duì)光的匯聚能力，恰好使仙女位于此復(fù)合透鏡的焦點(diǎn)以內(nèi)，于是仙女通過該透鏡組形成了一個(gè)正立、放大的虛像。此虛像與原仙女的圖片位于透鏡組的同側(cè)，即位于杯底，并且恰好位于人眼明視距離處，因此人眼就可以看到杯中的仙女了。

為什么杯中的仙女還會(huì)翩翩起舞？這是因?yàn)槲覀兌似鸨訒r(shí)，手不可避免地抖動(dòng)，導(dǎo)致杯中的游絲發(fā)生微小的振動(dòng)，由于光的折射作用，我們看到的仙女就會(huì)翩翩起舞了。

這種情景就如同我們觀察清澈河水底部靜止的石子，當(dāng)一陣微風(fēng)吹來，水面波動(dòng)，我們就會(huì)誤認(rèn)為石子在晃動(dòng)的道理一樣。

二、“長壽老人圖”之謎

中秋之夜，小聰與爸爸、媽媽一起到爺爺、奶奶家去吃團(tuán)圓飯。吃飯時(shí)，爸爸拿出一個(gè)“魔術(shù)酒杯”送給爺爺，祝爺爺長壽。小聰主動(dòng)拿去清洗，當(dāng)他向杯中倒水時(shí)，發(fā)現(xiàn)杯底出現(xiàn)了一幅“長壽老人圖”，他拿給爺爺看，爺爺看后非常高興?？僧?dāng)他把水倒掉后，原來杯中的“老人長壽圖”便不見了。

他向爸爸討教，爸爸告訴他這與 “凸透鏡成像”有關(guān)，要想揭開這層神奇的面紗，還需自己認(rèn)真探索。

根據(jù)上面介紹的仙女杯，相信你一定能幫助小聰弄清楚“長壽老人圖”中的奧秘。一般有如下特點(diǎn)：有較大顆粒的懸浮物——這部分可使用過濾棉吸附，形成過濾餅；有污垢沉淀——這部分一般會(huì)沉在底部，我們想利用漩渦的原理攪動(dòng)水，使之快速隔離外流去除，不再另行處理；還有溶解其中的微?！捎锰沾森h(huán)生物凈水和活性炭吸附凈水二級(jí)過濾。

為了讓浴桶里的水能自動(dòng)清潔，可用潛水泵將水提至高處，經(jīng)過三級(jí)垂直過濾后循環(huán)流入浴桶，周而復(fù)始，浴桶里的水就會(huì)變得潔凈。

二、設(shè)計(jì)原理

1.三級(jí)凈水原理

表層過濾： 以表層篩濾作用為主，易在濾料表面形成濾餅，適宜去除較大的懸浮物，如表面浮污、肥皂泡沫等。

深層過濾：以沉降作用和吸附凝聚作用為主，主要在介質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行。由于在介質(zhì)表面無濾餅形成，可充分發(fā)揮濾料層的納污能力。

陶瓷環(huán)過濾：由于陶瓷環(huán)上布滿細(xì)孔，適于硝化細(xì)菌繁殖，可起到凈化水質(zhì)的作用。

2.重力原理

物體由于地球的吸引而受到的力叫重力。重力的施力物體是地心，重力的方向總是豎直向下。物體受到的重力的大小與物體的質(zhì)量成正比。

3.壓力提升原理

采用潛水泵提升水位，水泵控制系統(tǒng)由密閉外殼、水泵以及液位控制系統(tǒng)三部分組成，屬機(jī)電一體化產(chǎn)品，電機(jī)與水輪共用同一軸（轉(zhuǎn)子），整個(gè)水泵長度短，結(jié)構(gòu)緊湊。如圖1所示。

三、設(shè)計(jì)制作

“綠色”浴桶由潛水泵、導(dǎo)流水管、三級(jí)垂直過濾槽、活性炭吸附過濾槽、半透膜過濾槽組成。

浴桶中的廢水被提升后經(jīng)過三級(jí)垂直過濾，再次流回浴桶中，周而復(fù)始，浴桶中的廢水就會(huì)變潔凈。

我們買來水泵、過濾材料（木炭包、過濾棉、陶瓷環(huán)等）、導(dǎo)水管、塑料盆、連接繩等制作模型。

四、試驗(yàn)優(yōu)化

模型做好后，我們進(jìn)行了初步試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)以下問題：過濾棉水槽積水較多，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。

我們又制作了第二代模型。所選擇的過濾盆的大小恰好相切又留有一定空間，讓整體結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。將該結(jié)構(gòu)固定在一個(gè)金屬支撐架上，在陶瓷環(huán)過濾池下墊上絲襪，阻止漂浮污垢“逃跑”。

該設(shè)計(jì)基于水過濾技術(shù)，采用三級(jí)垂直過濾方式，實(shí)現(xiàn)浴桶自體凈化，從而解決洗澡水的二次利用問題。木桶洗浴水無需使用外在介質(zhì)存放，在電力水泵作用下，洗浴水進(jìn)行不間斷過濾。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，易于推廣，能大大提高水的二次利用率。

五、未來改進(jìn)

1.目前的設(shè)計(jì)采用電力提供動(dòng)力，未來可改用太陽能。

2.讓外觀更美麗。

3.除使用過濾技術(shù)外，還可采用深層過濾，取得更好的水質(zhì)凈化效果，進(jìn)一步拓展二次利用的領(lǐng)域。

4.加入自加熱設(shè)計(jì)，讓浴桶在洗浴過程中就能自行清潔。（指導(dǎo)老師：周 萍）endprint