(2018•寧波)為響應寧波市*提出的“建立海綿型城市”的號召,小科設計瞭如圖所示的市政自動排水裝置模型,控...
問題詳情:
(2018•寧波)為響應寧波市*提出的“建立海綿型城市”的號召,小科設計瞭如圖所示的市政自動排水裝置模型,控制電路由電壓為12V、最大容量為100Ah的蓄電池供電,蓄電池用“發電玻璃”製成的太陽能電板充電。R0為定值電阻,R為壓敏電阻,壓敏電阻通過槓桿ABO與圓柱形浮體相連,AB:BO=4:1,壓敏電阻的阻值隨壓力變化的關係如下表。(壓板、槓桿和硬質連桿的質量及電磁鐵線圈電阻忽略不計,所用綠燈、紅燈及排水泵的額定電壓均為220V)
(1)當水位在安全位置以下時綠燈亮,排水泵不工作;當水位達到安全位置上限時紅燈亮,同時排水泵正常工作。請按要求完成圖中工作電路的連線_____。
(2)“發電玻璃”光電轉化率接近18%.要求在5h內對控制電路的蓄電池充滿電,則選用的“發電玻璃”面積至少為_____m2.(太陽能輻*到每平方米地面上的平均功率按1000W計算,計算結果精確到0.1m2)
(3)按照設計要求,當水位上升到浮體剛好全部浸入水中時,壓敏電阻受到壓力為360N,通過電磁鐵線圈的電流為100mA,排水泵啟動;當水位回落到浮體只有體積浸入水中時,硬質槓桿ABO仍處於水平位置,線圈中電流為30mA,排水泵停止工作,則小科應選擇重力為多大的浮體______?
(4)在實際除錯過程中,小科發現水位已達到安全位置上限,但排水裝置還未啟動。如果在其他條件保持不變的前提下,要使排水裝置符合設計要求,應該將與壓敏電阻相連的壓板向_____(填“左”或“右“)移動。
【回答】
見解析 1.3 應選擇重力為8N的浮體 右
【解析】(1)當水位在安全位置以下時時,浮體受到浮力較小,則浮體通過連桿對A端的向上作用力較小,壓敏電阻受到槓桿的壓力較小,由表格資料可知,壓敏電阻的阻值較大,由歐姆定律可知控制電路中電流較小(不能吸引銜鐵),電磁繼電器銜鐵在*簧作用下被向上拉起,動觸點與上方靜觸點接通,反之與下方靜觸點接通;
由題知,綠燈亮,排水泵不工作,紅燈亮,同時排水泵正常工作,說明綠燈與紅燈、水泵間互不影響,即為並聯,紅燈與水泵同時工作,同時停止工作,且它們的額定電壓均為220V,所以紅燈與水泵間並聯,由此畫出工作電路圖連線情況如圖所示:
;
(2)蓄電池充滿電時儲存的電能:W=UIt=12V×100A×3600s=4.32×106J=1.2kW•h,
由題知,發電玻璃光電轉化率接近18%,在5h內對控制電路的蓄電池充滿電,太陽能輻*到每平方米地面上的平均功率1000W=1kW,
設“發電玻璃”面積至少為S,所以有:18%×1kW/m2×S×5h=1.2kW•h,
解得:S≈1.3m2;
(3)當浮體剛好浸沒時,壓敏電阻受到壓力為360N,由表中資料知,此時壓敏電阻的阻值R=80Ω,
控制電路中R與R0串聯,措施控制電路中的電流I=100mA=0.1A,
由串聯電路特點和歐姆定律可得,定值電阻的阻值:
設此時連桿對A端的作用力為FA,壓敏電阻對B處的作用力為FB,
已知AB:BO=4:1,則AO:BO=5:1,
根據槓桿的平衡條件有:,
則:,
因為力的作用是相互的,所以A端對浮體向下的壓力:FA'=FA=72N,
由力的平衡條件可得,此時浮體受到的浮力:F浮=G+FA'=G+72N﹣﹣﹣﹣﹣﹣①
當浮體只有體積浸入水中時,由阿基米德原理可得此時的浮力:,
此時控制電路中電流為30mA=0.03A,由串聯電路特點和歐姆定律可得,此時壓敏電阻的阻值:
,
由表中資料知,壓敏電阻受到壓力FB'=120N,
由槓桿平衡條件有:,
所以:,
同理可得,此時浮體受到的浮力:F浮'=G+FA',
即:﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣②
解①②可得:F浮=80N,G=8N;
所以,應選擇重力為8N的浮體。
(4)水位已達到安全位置上限,排水裝置還未啟動(說明控制電路的電流偏小),由歐姆定律可知,應減小控制電路中的電阻以增大控制電路中電流,從而使電磁鐵磁*增強吸下銜鐵,
而其他條件保持不變,要減小壓敏電阻R的阻值,根據表格資料可知,應增大壓敏電阻受到的壓力;在A端作用力和動力臂不變的情況下,由槓桿平衡條件知,將壓板向右移動時,減小了阻力臂,則阻力增大,即增大對壓敏電阻的壓力。
點睛:綜合考查了歐姆定律、阿基米德原理、槓桿平衡條件的應用,有一定難度,注意理解清楚題意,思路要清晰,第三問中根據兩次的平衡,利用浮力、重力、壓力的關係列出關係式,求出浮子的重。
知識點:槓桿
題型:綜合題
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