Question

13．干簧管（也叫干簧繼電器）比一般機械開關結構簡單、體積小、速度高、工作壽命長；而與電子開關相比，它又有抗負載沖擊能力強的特點，工作可靠性很高．如圖1甲所示為干簧管的結構簡圖，其中的磁簧片是一種有彈性的薄鐵片，被固定于玻璃管上．

（1）當將一個條形磁鐵與干簧管平行放置時，如圖1乙，干簧管的磁簧片觸點就會閉合，將電路接通；當條形磁鐵遠離干簧管時，觸點就會斷開．請簡述其工作原理．
答：當將一個條形磁鐵與干簧管平行放置時，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而相互吸引，觸點就會閉合，將電路接通；當條形磁鐵遠離干簧管時，磁簧片的磁性消失，在彈力的作用下觸點就會斷開．              
（2）某同學設想用干簧管制作一個水位自動報警器，圖2是他設計的一部分情況，請幫助他完成如下部分的設計：
①已知永久磁鐵的重力為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，浮球的質量大小應在什么范圍內？
②他手邊還有開關、紅燈、綠燈和電鈴各一個，導線若干，請在圖2中的虛線方框內畫出報警電路，要求：水位到達A處時，紅燈亮，電鈴報警；水位到達B處時，綠燈亮，電鈴報警．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)磁化的規(guī)律可以判斷磁簧片的極性，再根據(jù)磁極間的相互作用，可解釋為什么條形磁鐵靠近時電路接通，遠離時觸點斷開；
（2）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滿足的條件，進而得出質量條件；
②由題意可知，這應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）當將一個條形磁鐵與干簧管平行放置時，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而相互吸引，觸點就會閉合，將電路接通；當條形磁鐵遠離干簧管時，磁簧片的磁性消失，在彈力的作用下觸點就會斷開．
（2）①浮球浸沒在水中時受到的浮力為：
F_浮=ρ_水gV_排=1.0×10³㎏/m³×10N/kg×2×10^-4m³=2N；
要想讓此裝置能正常工作，則浮球在剛好沒入水中時必須上浮，在浮球剛好離開水面時必須下沉，所以浮球的重力大小應滿足：
G_磁鐵＜G_浮球＜（F_浮+G_磁鐵），
即：3N＜G_浮球＜5N，
由公式G=mg可以算出浮球的質量大小范圍是：0.3㎏＜m_浮球＜0.5㎏；
②當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，導致其所在的電路接通，所以紅燈亮，電鈴響．
同理，當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，導致其所在的電路接通，所以綠燈亮，電鈴響．
如下圖所示：

故答案為：（1）當將一個條形磁鐵與干簧管平行放置時，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而相互吸引，觸點就會閉合，將電路接通；當條形磁鐵遠離干簧管時，磁簧片的磁性消失，在彈力的作用下觸點就會斷開；
（2）浮球的質量應滿足條件：0.5kg＞m_浮球＞0.3kg；
（3）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，以及電路的設計，有一定的難度，但也給我們很多的啟示，是一個很好的應用，也是一道不錯的題目．