Question

我市一所农村初级中学，常常因为不能及时给水塔注水而停水．小明知道后，想利用如图所示的器材设计一个自动注水装置．A是浮子(重约5牛)，B是金属触头(重约10牛)，C为水塔上的柱形蓄水池，M是带水泵的电动机，D是弹簧，E是衔铁，F是电磁铁．K₁、K₂分别为触头开关．

(1)写出该装置涉及的主要物理知识．

(2)连接电路图．

(3)设计时，需要知道浮子的最小体积，请你帮助它完成这项工作．

(4)若设计要求在10分钟内要注满蓄水池，那么，还需要知道或测量哪些物理量，才能得到相匹配电动机的额定功率？请你用字母表示这些物理量，推导出电动机额定功率的表达式．在你的计算过程中，运用了什么近似条件？

(5)按设计要求，小明将设备组装调试，投入使用．几天后，学校又停水了，检查发现：水塔已无水，但电路连接无误，电动机、水泵完好无损．请你分析该装置没有实现自动注水的原因，怎样改进？

Answer 1

答案：
解析：

(1)浮力(阿基米德原理)、电流的磁场(电磁继电器)、电磁铁的应用、杠杆、欧姆定律 　　(2)如图所示 　　(3)由图知，浮子上浮接通电路必须满足：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，则V排＝＝＝1.5×10－3米3，所以浮子的最小体积应大于1.5×10－3，所以浮子的最小体积应大于1.5×10－3米3才能满足设计要求 　　(4)要知道水的密度ρ水，测出蓄水池的半径R、池高h1和蓄水池距井水面的高度h，电动机抽水时，通过电动机做功，把电能转化为机械能．;Pt＝m水gh，又∵ρ水＝，V＝πR2h1∴m水＝ρ水πR2h1，∴P＝＝πR2ρ水gh1，运用的近似条件：电动机工作时，电能全部转化为机械能(或忽略能量损失) 　　(5)没有实现自动注水的原因是：放水后电动机仍不工作，高压电路断路．说明电磁铁芯是钢性材料，磁化后不退磁，衔铁仍然被吸引，高压电路未接通．;改进的方法：把电磁铁芯换用软铁材料的铁棒．