Question

某电开水器的结构如图甲所示（剖面图），简化的内部电路如图乙所示，进水管管口的阀门由轻质浮子1和与它们相连的两根轻质硬杆控制，只有进水管中的水压在正常范围内，冷水箱和煮水箱中的水位就比出水管管口低，冷水不会从出水管流出。当冷水箱中的水位达到一定高的时，浮子2浮起，会触动单刀三掷开关S1，煮水电热管R1通电发热，冷水被煮沸，水面升高，开水就从出水管进入贮水箱，当贮水箱中水位达到一定高度时，浮子3浮起，又会触动单刀三掷开关S1，煮水暂停，一旦贮水箱中水温下降使温控开关S2闭合，保温电热管R2就会通电发热，开水处于保温状态。

（1）已知煮水电热管R1的阻值为12.1Ω，保温电热管R2的阻值为48.4Ω，求电开水器的最大发热功率。

（2）图甲中，当浮子1上升到最高处后，它的最上端恰好和出水管管口相平，阀门就会将进水管管口关闭，此时AC杆沿竖直方向。已知浮子1的体积V=2.5×10^-4m?，进水管管口和阀门的横截面积S均为1×10^-4m?（不计阀门的质量、管壁的厚度及两者之间的摩擦）；BO∶BA=20∶1（O为轻质浮子1的球心、A为两轻质硬杆的相交处，B为轻质硬杆BO的转轴），水箱内水面上方的气压P0=1×10⁵Pa。为了不让冷水直接进入贮水箱，进水管管口阀门的上表面受到的压强不能超过多少Pa?

Answer 1

（1）当只有R1工作时，发热功率最大

所以P=U²/R1=（220V）²/12.1Ω

     =4000W .

(2)由题意可知：为了不让冷水直接进入贮水箱，当浮子1恰好与出水管相平时且浸没时受到的压强最大：

   此时受到的浮力F浮=ρ水gV

         =1.0×10³Kg/m³  ×10N/kg  ×2.5×10^-4m³        =2.5N

   则A点受到的最大压力为FAC=F浮×BO/BA =50N

   由于上下都受到大气压的作用，所以阀门上表面受到的压强为

P_最大=F/S= （F_AC+F_大气）/S  =(50N+1.0×10⁵Pa×1×10^-4m²)/1×10^-4m²

   =6×10⁵pa