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，想利用圖中所示的器材設計一個自動注水裝置。A是浮子（重約5N），B是金屬觸頭（重約10牛），C為水塔上的阿柱形蓄水池，M是帶水泵的電動機，D是彈簧，E是銜鐵，F是電磁鐵，K_1、K₂分別為觸頭開關。

（1）請你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，請你幫助他完成這項工作。

（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，推導出電動機的額定功率的表達式，。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，檢察發現：水塔已無水了，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，怎樣改近？

Answer 1

(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

（3）解：由圖知，浮子上浮接通電路必須滿足：４

由阿基米德原理可得　

則

所以浮子的最小體積應大于才能滿足設計要求。

（4）要知道水的密度，測出蓄水池的半徑R、池高和蓄水池距井水面的高度

電動機抽水時，通過電動機做功，把電能轉化為機械能。

又∵

∴

∴

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意是：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。