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，想利用图中所示的器材设计一个自动注水装置。A是浮子（重约5N），B是金属触头（重约10牛），C为水塔上的阿柱形蓄水池，M是带水泵的电动机，D是弹簧，E是衔铁，F是电磁铁，K_1、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，请你帮助他完成这项工作。

（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，推导出电动机的额定功率的表达式，。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，检察发现：水塔已无水了，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，怎样改近？

Answer 1

(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

（3）解：由图知，浮子上浮接通电路必须满足：４

由阿基米德原理可得　

则

所以浮子的最小体积应大于才能满足设计要求。

（4）要知道水的密度，测出蓄水池的半径R、池高和蓄水池距井水面的高度

电动机抽水时，通过电动机做功，把电能转化为机械能。

又∵

∴

∴

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意是：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。