（2004•烟台）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，想利用图所示的器材设计一个自动注水

来源：学生作业帮编辑：作业帮分类：物理作业时间：2024/05/16 12:13:11

（2004•烟台）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）请你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？

（1）图中水池内的装置主要利用了浮力，中间的电磁继电器中主要用到了电磁铁，衔铁与其连接的部分共同组成了一条杠杆，同时还利用了金属触头的导电性等（只要答出“浮力、电流的磁场”就可以）．
（2）电路连接如下图所示．
（3）由图知，浮子上浮接通电路必须满足：G_A+G_B=F_浮
由阿基米德原理F_浮=ρgV_排，可得G_A+G_B=ρ_水gV_排
则V_排=
GA+GB
ρ水g=
5N+10N
1.0×103kg/m3×9.8N/kg=1.5×10^-3m³
所以浮子的最小体积应大于1.5×10^-3m³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=
m
V'V=πR²h₁
∴m_水=ρ_水πR²h₁
∴P=
W
t=
m水gh
t=
1
600πR²ρ_水gh₁h
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，高压电路未接通等
改进的方法：把电磁铁芯换用软铁材料的铁棒．
故答案为：（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）浮子的最小体积应大于1.5×10^-3m³才能满足设计要求；
（4）电动机工作时，电能全部转化为机械能（或忽略能量损失）；
（5）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，高压电路未接通等
改进的方法：把电磁铁芯换用软铁材料的铁棒．

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