Question

干簧管（也叫干簧继电器）比一般机械开关结构简单、体积小、速度高、工作寿命长；而与电子开关相比，它又有抗负载冲击能力强的特点，工作可靠性很高．如图1甲所示为干簧管的结构简图，其中磁簧片是一种有弹性的薄铁片，被固定于玻璃管上．当将一个条形磁铁与干簧管平行放置时，如图1乙，干簧管的磁簧片就会被磁化，且靠近的那两个端点会被磁化成异名磁极，触点就会闭合，将电路接通；当条形磁铁远离干簧管时，磁簧片的磁性消失，触点就会断开．
某同学设想用干簧管制作水位自动报警器，图2是他设计的一部分情况，请帮助他完成其余部分的设计：
（1）设永久磁铁所受的重力为3N，浮球的体积为200cm³，不计滑轮处的摩擦．则要想让此装置能正常工作，浮球的质量应满足什么条件（取g=10N/kg）？
（2）他手边还有开关、红灯、绿灯和电铃各一个，导线若干，请在图中的虚线方框内画出报警电路，要求：水位到达A处时，红灯亮，电铃报警；水位到达B处时，绿灯亮，电铃报警．

Answer

（1）知道浮球的体积，利用阿基米德原理求浮球浸没水中受到的浮力；设浮球刚好浸没水中，浮球必须上浮，则必须满足G浮球＜F浮+G磁铁；设浮球刚好离开水面，浮球必须下降，则必须满足G浮球＞G磁铁，可得让此装置能正常工作浮球所受的重力应满足的条件，进而得出质量条件；
（2）由题意可知，这应该是一个由两个干簧管分别控制一个支路的并联电路，据此来完成电路的连接；浮球的位置，可以确定条形磁铁的位置，而条形磁铁的位置可以确定哪个干簧管在工作，同时确定了哪个干簧管所在的电路工作．
【解析】
（1）浮球浸没水中受到的浮力：
F浮=ρ水V排g=1×103kg/m3×10N/kg×2×10-4m3=2N，
设浮球刚好浸没水中，浮球必须上浮，则必须满足G浮球＜F浮+G磁铁=2N+3N=5N，
设浮球刚好离开水面，浮球必须下降，则必须满足G浮球＞G磁铁=3N，
因此要想让此装置能正常工作，此浮球所受的重力应满足：
5N＞G浮球＞3N，
∵G=mg，
∴浮球的质量应满足：0.5kg＞m浮球＞0.3kg．
（2）当浮球上升到最高水位时，条形磁铁下沉到干簧管2所在的位置，此时条形磁铁使干簧管的磁簧片接触，导致其所在的电路接通，所以红灯亮，电铃响．
同理，当浮球下降到最低水位时，条形磁铁上升到干簧管1所在的位置，此时条形磁铁使干簧管的磁簧片接触，导致其所在的电路接通，所以绿灯亮，电铃响．
如下图所示：

答：（1）浮球的质量应满足条件：0.5kg＞m浮球＞0.3kg．
（2）如图所示．