Question

我市一所農村初級中學，常常因為不能及時給水塔注水而停水．小明知道后，想利用如圖所示的器材設計一個自動注水裝置．A是浮子(重約5牛)，B是金屬觸頭(重約10牛)，C為水塔上的柱形蓄水池，M是帶水泵的電動機，D是彈簧，E是銜鐵，F是電磁鐵．K₁、K₂分別為觸頭開關．

(1)寫出該裝置涉及的主要物理知識．

(2)連接電路圖．

(3)設計時，需要知道浮子的最小體積，請你幫助它完成這項工作．

(4)若設計要求在10分鐘內要注滿蓄水池，那么，還需要知道或測量哪些物理量，才能得到相匹配電動機的額定功率？請你用字母表示這些物理量，推導出電動機額定功率的表達式．在你的計算過程中，運用了什么近似條件？

(5)按設計要求，小明將設備組裝調試，投入使用．幾天后，學校又停水了，檢查發現：水塔已無水，但電路連接無誤，電動機、水泵完好無損．請你分析該裝置沒有實現自動注水的原因，怎樣改進？

Answer 1

答案：
解析：

(1)浮力(阿基米德原理)、電流的磁場(電磁繼電器)、電磁鐵的應用、杠桿、歐姆定律 　　(2)如圖所示 　　(3)由圖知，浮子上浮接通電路必須滿足：GA＋GB＝F浮，由阿基米德原理可得：F浮＝ρ水gV排，GA＋GB＝ρ水V排g，則V排＝＝＝1.5×10－3米3，所以浮子的最小體積應大于1.5×10－3，所以浮子的最小體積應大于1.5×10－3米3才能滿足設計要求 　　(4)要知道水的密度ρ水，測出蓄水池的半徑R、池高h1和蓄水池距井水面的高度h，電動機抽水時，通過電動機做功，把電能轉化為機械能．;Pt＝m水gh，又∵ρ水＝，V＝πR2h1∴m水＝ρ水πR2h1，∴P＝＝πR2ρ水gh1，運用的近似條件：電動機工作時，電能全部轉化為機械能(或忽略能量損失) 　　(5)沒有實現自動注水的原因是：放水后電動機仍不工作，高壓電路斷路．說明電磁鐵芯是鋼性材料，磁化后不退磁，銜鐵仍然被吸引，高壓電路未接通．;改進的方法：把電磁鐵芯換用軟鐵材料的鐵棒．