《2025年奔跑吧少年八年级科学上册浙教版》

核心素养点金练6 产品设计:水位自动报警
衔接教材:第3、4章
某项目化学习小组的成员开展了“水位自动报警器”的设计与制作活动,小组成员希望在水位上升至设定位置时报警器能产生报警信号。提供材料:导线、电源(电压恒为3V)、小灯泡(2.5V 0.5A)、滑动变阻器(20Ω 0.6A)、电流表(0~0.6A)等。

小组成员设计的产品评价表如表所示:

该小组的成员设计了电路与浮沉装置,其中浮沉装置总质量为50g,自下而上包括$125cm^3$的立方体泡沫塑料、10cm高的塑料连杆、铜片(厚度忽略不计),整个装置的简图如图所示,各部分连接良好,当水位上升,铜片与电路中的触点接触,电路接通。
请回答下列问题(g取10N/kg,ρ水$= 1.0×10^3kg/m^3):$
(1)电路接通,小灯泡正常工作时,求滑动变阻器接入电路的阻值。
(2)电路未接通,浮沉装置在水中静止时,求立方体泡沫塑料浸入水中的深度(已知立方体泡沫塑料的底面积为$25cm^2)。$
(3)在设计制作的过程中,若当水位刚达到12cm时能实现水位自动报警功能,求触点开关距离容器底的理论高度。
(4)评价产品:结合评价表对产品进行测试时,其“指标一”为优秀,“指标二”为良好。请提出一种改进方法使“指标二”达到优秀(可采用文字或电路图说明)。

答案： 核心素养点金练 6 产品设计:水位自动报警器
(1)由图可知,小灯泡和滑动变阻器串联后接入电路,根据串联电路电压规律可知,滑动变阻器两端的电压$U_{R}=U-U_{L}=3V-2.5V=0.5V$,根据串联电路电流规律可知,小灯泡正常发光时通过电路的电流为$0.5A$,则滑动变阻器接入电路的阻值$R=\frac {U_{R}}{I}=\frac {0.5V}{0.5A}=1\Omega $。
(2)电路未接通,浮沉装置在水中静止时,浮沉装置处于漂浮状态,受到的浮力等于自身重力,则$G=mg=0.05kg×10N/kg=0.5N$,则装置中立方体泡沫塑料浸入水中的体积$V=V_{排}=\frac {F_{浮}}{ρ_{水}g}=\frac {0.5N}{1.0×10^{3}kg/m^{3}×10N/kg}=5×10^{-5}m^{3}$,已知立方体泡沫塑料的底面积$S=25cm^{2}$,可得立方体泡沫塑料浸入水中的深度$h=\frac {V}{S}=\frac {5×10^{-5}m^{3}}{25×10^{-4}m^{2}}=0.02m$。
(3)当水位刚达到$12 cm$自动报警时,立方体泡沫塑料浸入水中的深度为$0.02m=2cm$,露出水面的高度为$5cm-2cm=3cm$,塑料连杆高$10 cm$,触点开关距离容器底的理论高度为$12cm+3cm+10cm=25cm$。
(4)要使报警器能通过声音和光照情况同时报警,需要在电路中串联接入一个电铃,报警器报警时灯泡正常发光,电铃响(合理均可)。