Question

我市一所農(nóng)村初級(jí)中學(xué)，常常因?yàn)椴荒芗皶r(shí)給水塔注水而停水．小明知道后，想利用如圖所示的器材設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)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(dòng)機(jī)，D是彈簧，E是銜鐵，F(xiàn)是電磁鐵．K₁、K₂分別為觸頭開(kāi)關(guān)．

(1)寫出該裝置涉及的主要物理知識(shí)．

(2)連接電路圖．

(3)設(shè)計(jì)時(shí)，需要知道浮子的最小體積，請(qǐng)你幫助它完成這項(xiàng)工作．

(4)若設(shè)計(jì)要求在10分鐘內(nèi)要注滿蓄水池，那么，還需要知道或測(cè)量哪些物理量，才能得到相匹配電動(dòng)機(jī)的額定功率？請(qǐng)你用字母表示這些物理量，推導(dǎo)出電動(dòng)機(jī)額定功率的表達(dá)式．在你的計(jì)算過(guò)程中，運(yùn)用了什么近似條件？

(5)按設(shè)計(jì)要求，小明將設(shè)備組裝調(diào)試，投入使用．幾天后，學(xué)校又停水了，檢查發(fā)現(xiàn)：水塔已無(wú)水，但電路連接無(wú)誤，電動(dòng)機(jī)、水泵完好無(wú)損．請(qǐng)你分析該裝置沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)注水的原因，怎樣改進(jìn)？

Answer 1

答案：
解析：

(1)浮力(阿基米德原理)、電流的磁場(chǎng)(電磁繼電器)、電磁鐵的應(yīng)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(yīng)大于1.5×10－3，所以浮子的最小體積應(yīng)大于1.5×10－3米3才能滿足設(shè)計(jì)要求 　　(4)要知道水的密度ρ水，測(cè)出蓄水池的半徑R、池高h(yuǎn)1和蓄水池距井水面的高度h，電動(dòng)機(jī)抽水時(shí)，通過(guò)電動(dòng)機(jī)做功，把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能．;Pt＝m水gh，又∵ρ水＝，V＝πR2h1∴m水＝ρ水πR2h1，∴P＝＝πR2ρ水gh1，運(yùn)用的近似條件：電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，電能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能(或忽略能量損失) 　　(5)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)注水的原因是：放水后電動(dòng)機(jī)仍不工作，高壓電路斷路．說(shuō)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(jìn)的方法：把電磁鐵芯換用軟鐵材料的鐵棒．