Question

干簧管（也叫干簧繼電器）比一般機(jī)械開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、速度高、工作壽命長；而與電子開關(guān)相比，它又有抗負(fù)載沖擊能力強(qiáng)的特點，工作可靠性很高．如圖1甲所示為干簧管的結(jié)構(gòu)簡圖，其中磁簧片是一種有彈性的薄鐵片，被固定于玻璃管上．當(dāng)將一個條形磁鐵與干簧管平行放置時，如圖1乙，干簧管的磁簧片就會被磁化，且靠近的那兩個端點會被磁化成異名磁極，觸點就會閉合，將電路接通；當(dāng)條形磁鐵遠(yuǎn)離干簧管時，磁簧片的磁性消失，觸點就會斷開．
某同學(xué)設(shè)想用干簧管制作水位自動報警器，圖2是他設(shè)計的一部分情況，請幫助他完成其余部分的設(shè)計：
（1）設(shè)永久磁鐵所受的重力為3N，浮球的體積為200cm³，不計滑輪處的摩擦．則要想讓此裝置能正常工作，浮球的質(zhì)量應(yīng)滿足什么條件（取g=10N/kg）？
（2）他手邊還有開關(guān)、紅燈、綠燈和電鈴各一個，導(dǎo)線若干，請在圖中的虛線方框內(nèi)畫出報警電路，要求：水位到達(dá)A處時，紅燈亮，電鈴報警；水位到達(dá)B處時，綠燈亮，電鈴報警．

Answer 1

【答案】分析：（1）知道浮球的體積，利用阿基米德原理求浮球浸沒水中受到的浮力；設(shè)浮球剛好浸沒水中，浮球必須上浮，則必須滿足G_浮球＜F_浮+G_磁鐵；設(shè)浮球剛好離開水面，浮球必須下降，則必須滿足G_浮球＞G_磁鐵，可得讓此裝置能正常工作浮球所受的重力應(yīng)滿足的條件，進(jìn)而得出質(zhì)量條件；
（2）由題意可知，這應(yīng)該是一個由兩個干簧管分別控制一個支路的并聯(lián)電路，據(jù)此來完成電路的連接；浮球的位置，可以確定條形磁鐵的位置，而條形磁鐵的位置可以確定哪個干簧管在工作，同時確定了哪個干簧管所在的電路工作．
解答：解：（1）浮球浸沒水中受到的浮力：
F_浮=ρ_水V_排g=1×10³kg/m³×10N/kg×2×10^-4m³=2N，
設(shè)浮球剛好浸沒水中，浮球必須上浮，則必須滿足G_浮球＜F_浮+G_磁鐵=2N+3N=5N，
設(shè)浮球剛好離開水面，浮球必須下降，則必須滿足G_浮球＞G_磁鐵=3N，
因此要想讓此裝置能正常工作，此浮球所受的重力應(yīng)滿足：
5N＞G_浮球＞3N，
∵G=mg，
∴浮球的質(zhì)量應(yīng)滿足：0.5kg＞m_浮球＞0.3kg．
（2）當(dāng)浮球上升到最高水位時，條形磁鐵下沉到干簧管2所在的位置，此時條形磁鐵使干簧管的磁簧片接觸，導(dǎo)致其所在的電路接通，所以紅燈亮，電鈴響．
同理，當(dāng)浮球下降到最低水位時，條形磁鐵上升到干簧管1所在的位置，此時條形磁鐵使干簧管的磁簧片接觸，導(dǎo)致其所在的電路接通，所以綠燈亮，電鈴響．
如下圖所示：

答：（1）浮球的質(zhì)量應(yīng)滿足條件：0.5kg＞m_浮球＞0.3kg．
（2）如圖所示．
點評：干簧管實際是一種繼電器控制電路，其利用的不是電磁鐵，而是一個永久磁鐵對磁簧片的磁化作用，搞清這一原理，才能對其工作情況進(jìn)行有針對性的分析．解答中主要用到了磁化的特點，以及電路的設(shè)計，有一定的難度，但也給我們很多的啟示，是一個很好的應(yīng)用，也是一道不錯的題目．