1洗 衣 机 中 的 物 理 知 识湖南长沙市十二中( 410011) 刘岳衡 例 1、正在脱水的洗衣机,当脱水桶转得很快时,洗衣机机身振动并不强烈,切断电源,脱水桶转动逐 渐慢下来,到某一时刻 t,洗衣机机身反而发生强烈振动,此后脱水桶转速继续变慢,洗衣机的振动也随之 减弱,这种现象说明 A.在 t 时刻,洗衣机的惯性最大 B.洗衣机出现故障需要修理 C.在 t 时刻,脱水桶的转动频率与机身的固有频率相等,发生共振 D.脱水桶内所放的衣物太多 解析 开始脱水桶转得很快,其转动频率大于机身的固有频率,洗衣机机身不会产生共振,其振幅不大; 切断电源后,脱水桶转动逐渐慢下来,在某一时刻 t,脱水桶的转动频率与机身的固有频率相等时,洗衣机 机身发生共振,则其振幅到达最大;此后脱水桶转速继续变慢,其转动的频率小于机身的固有频率,同样, 洗衣机机身也不会产生共振,其振幅也不大故选项 C 正确 例 2、洗衣机脱水桶正常工作时,转速为 n=2800r/min,脱水后由切断电源到电动机停止转动的时间为 t=16s实际发现 t1=13s 左右时,洗衣机振动最为剧烈,若切断电源后转速是均匀减小的,则洗衣机振动的 固有频率大约为多少? 解析 洗衣机脱水电机的转动给洗衣机提供了驱动力,使洗衣机做变速振动,当切断电源后,脱水桶转 速随时间均匀减小,设 t1=13s 时的转速为 n/,由题意可知srntttnn/75. 8)1316(16602800)1316(16)(1于是,此时洗衣机做受迫振动的驱动力的频率为 f驱=8.75Hz,而洗衣机在 t1=13s 左右时振动最为剧烈, 则说明此时洗衣机发生了共振,故此时驱动力的频率与其固有频率相等,即 f固=f驱=8.75Hz。
例 3、人们在使用洗衣机进行脱水时,有时会遇到洗衣机不运转的故障,原因之一就是洗衣机的波轮被 袜类、手帕等物品缠绕在波轮上,使其被卡住如果长时间的让洗衣机通电,则很容易使其电机被烧坏 请简要说明其中的道理 解析 洗衣机正常工作时,电机运转,从而带动波轮运转电能的绝大部分转化为机械能,而较小的一 部分转化为电机内阻发热所产生的内能而波轮被卡住时,电能全部转变为电机内阻发热所产生的内能, 这样,洗衣机的电机很容易被烧坏 例 4、一台国产 XQB42-878 型全自 动洗衣机说明书中所列的主要数据如右表 试根据表中的数据计算: ①这台洗衣机在额定电压下洗衣或脱 水时,通过洗衣机的电流是多大? ②如果洗衣、脱水的累计时间为 40min,则洗衣机耗电多少度? 解析 ①由表格中数据可知,额定电压、额定功率分别为 U=220V,P=400W,则I=P/U=400/220A≈1.82A ②W=Pt=(400×10-3)kW×(40/60)h≈0.27kW·h=0.27 度 例 5、日常生活中洗衣机的插头为三脚插头,使用洗衣机时, 需将三脚插头插入三孔插座中,三脚插头及三孔插座均接有地线, 而有的人安全意识不强,图省事,不接地线,请问这样做有什么安 全隐患? 解析 如图 1 所示,三孔插座的三个孔分别接火线(相线)L、 零线 N 及地线 E,其中中间那个插孔为地线插孔,相应的对三脚 图 1 图 2 图 3 插头而言,三个插头分别插入火线(相线)L、零线 N 及地线 E 插头,其中中间那根最长的为地线插头。
通 常情况下,地线的一端接在三孔插座的地线插孔上,另一端接在地下,或接在金属自来水管上再连接到地 下一般来说,洗衣机的插头为三脚插头,其地线接到洗衣机的金属外壳(或外壳的金属部分) 当我们使 用洗衣机时,需将其三脚插头插入三孔插座中,这样,洗衣机的金属外壳(或外壳的金属部分)就接地了 在正常情况下,地线中没有电流;然而,一旦洗衣机发生漏电,电流就可以从其金属外壳(或外壳的金属电源220V~/50Hz使用水压0.03MPa~1MPa输入功率400W整机质量37㎏ 额定洗涤容量4.2㎏洗涤方式新水流额定脱水量4.2㎏排水方式重力排水外型尺寸/mm540×540×880脱水方式离心脱水2部分)流入地线再流入大地,人体接触洗衣机的金属外壳时,人体与地线形成并联关系,由于地线的电阻 比人体的电阻小很多,所以,电流绝大部分由地线流入大地,而通过人体的电流较小(在人体允许通过的 安全电流范围之内) ,如图 2 所示这样,人体就不会发生触电事故但是,如果我们不接地线(无论是插 座还是插头) ,一旦洗衣机发生漏电且人体(特别是湿手)接触其金属外壳(或外壳的金属部分)时,则电 流就几乎全部经过人体,如图 3 所示。
于是,人体就发生了触电事故,这是十分危险的综上所述,无论 是三孔插座还是三脚插头,都应该接地线 例 6、全自动洗衣机中的水位开关是一个压力开关其工作原理是 利用开关内的空气随着水位上升所增加的压力,使开关动作,关闭水阀 在排水时,随着水位的下降,空气室内的压力随之下降,开关回复到初 始位置如图 4 所示,当水被注入洗衣桶后,其中的空气很快被封闭在 左侧的小管中,随着水位的上升,被封闭的空气的压强将增大通常桶 内外液面差为 h(15~35cm) ,求: 图 4 (1)被封闭的空气的压强 p 大约是多少? (2)若橡胶膜片的半径为 r=2.5cm,则压缩空气对橡胶膜片的压力 F 有多大? 解析 (1)设水的密度为 ρ=1×103kg/m3,标准大气压为 p0=1×105Pa被封闭的空气之压强数值可根 据洗衣桶的水位差及 p=p0+ρgh 来确定则 p1=p0+ρgh1=1×105Pa+1×103×9.8×15×10-2Pa=1.015×105Pa, p2=p0+ρgh2=1×105Pa+1×103×9.8×35×10-2Pa=1.034×105Pa。
∴p 的范围是 1.015×105~1.034×105Pa (2)压缩空气对橡胶膜片的压力 F 可根据上一问的压强数值及 F=ps 来确定F1=p1s=p1πr2=1.015×105×3.14×(2.5×10-2)2N=199.2N F2=p2s=p2πr2=1.034×105×3.14×(2.5×10-2)2N=202.9N ∴F 的范围是 199.2~202.9N 例 7、如图 5 所示是全自动洗衣机中的脱水桶,其直径为 d=38cm,脱水桶工作时的转 速为 n=820r/min,则脱水桶工作时衣服所具有的向心加速度 an=_________m/s2,脱水桶使衣 服脱水的原因是__________________________________________ 解析 脱水桶工作时,衣服紧靠脱水桶壁并随之做匀速圆周运动 脱水桶的角速度为 ω=2πn=2×3.14×820/60=85.5(rad/s) 衣服所具有的向心加速度为 an=ω2r=85.52×19×10-2=1398.7(m/s2 ) 图 5 设一个小水滴的质量为 m,其重力与做匀速圆周运动所需的向心力之比为 man/(mg) =an/g=1398/9.8=142.7,即向心力大约是其自身重力的 143 倍,而衣服对小水滴的附着力不可能有这么大, 于是小水滴将做离心运动,从桶壁的小空飞出去,从而使衣服脱水。
例 8、普通洗衣机的脱水桶以 n=1200r/min 的速度高速旋转,为避免发 生人身伤害事故,脱水结构都装有安全制动系统该系统由脱水桶盖板、 制动钢丝、刹车制动盘等组成当脱水桶运转时,如果打开脱水桶盖板, 则该系统将产生制动作用安全制动系统有两个作用,其一是将脱水电动 机的电源自动切断;其二是制动器自动刹紧,使脱水桶迅速停止转动如 图 6 所示为脱水制动示意图设衣服和脱水桶的总质量为 m=3kg,脱水桶 的半径为 R1=9cm,刹车盘的半径为 R2=6cm,打开脱水桶盖板到脱水桶停 止转动共用时 t=5s试估算在这段时间内脱水桶转动了多少圈以及刹车带 上的摩擦力 f 的大小 图 6 解析 脱水桶正常工作时的转速为 n=1200r/min=20r/s,打开其盖板,安全制动系统使其停止转动历时t=5s在这段时间内,我们认为脱水桶的转速是均匀减小到零则其平均转速为=(n+0)n/2=20/2=10(r/s) ,脱水桶转动的圈数为 k=×t=10×5=50(圈)n设刹车后刹车盘在刹车带上经过的路程为 s,脱水桶和衣服的线速度为 v。
脱水后,衣服紧靠脱水桶桶3壁,两者都具有动能;刹车后,其动能用来克服刹车带与刹车盘之间的摩擦力所做的功而产生的热量,即 动能转化为内能由动能定理有 -fs=0-mv2/2, 刹车盘在刹车带上经过的路程为s=2πR2k 又 v=ωR1=2πR1n 联立上面三式可解得f=2πmn2 R12/(kR2)=2×3.14×3×202×(9×10-2)2/(50×6×10-2)=20.3(N)本文发表在《考试报》 (高中物理) (全国公开发行)2003 年 6 月 17 日总第 830 期/专版第 24 期及 2003 年 6 月 24 日总第832 期/专版第 25 期。