简易双保险全自动水塔供水系统模型

摘要

针对高位水箱液位自动控制，设计一种基于电磁继电器的双保险自动供水模型。该模型通过电浮球开关与浮球阀实现双重控制：当水位达到上限时，浮球开关动作使继电器断电，水泵停止工作；当电控系统失效时，机械浮球阀关闭进水口，以防溢流。该模型采用单管路实现供/蓄水，结构简单、成本低，适用于教学演示，既可用于拓展电磁继电器的教学应用，亦能帮助学生直观理解通路、断路及短路在自动控制系统中的作用。

Graphical abstract

关键词

电磁继电器 / 双保险 / 水塔供水系统 / 电浮球开关 / 浮球阀 / 模型

在高位水箱供水系统中，补水增压泵常因液位自控系统不可靠而存在溢水隐患。实现该控制的核心部件——电磁继电器，在教学中又常面临理论与实际应用脱节的困境。以人教版物理九年级“电磁铁　电磁继电器”为例，教材中仅以简易水位、温度报警器为例，结构较为理想化，与实际应用差距较大，不利于学生深入理解相关知识^［1］。在实验教学中，受设备所限，学生缺乏实际操作机会，既难以实现从感性到理性的认知跨越，也缺少开展真实实验的评价载体，从而影响到科学探究素养的提升。此外，教材对通路、断路与短路的介绍不够全面，尤其未说明“短路”在实际电路中的利用价值，限制了知识的应用维度。为此，笔者设计了一套创新装置，既为低水压供水提供了简易解决方案，也可作为补充教材的教具，帮助学生形成系统的物理观念，提升创新与实践能力。

1 现实教学困境与研究意义

1.1 补充教材内容，提升创新素养

教材中的电磁继电器示例（如水位报警器）结构较为理想化，与实际应用存在差距。为此，笔者基于电磁继电器原理，设计制作了一套水塔供水自动控制模型^［2］，旨在弥合上述理论与实践的脱节，帮助学生建构从原理到应用的系统性认知。

1.2 增强理性认识，辅助教学实效

因实验设备有限，需借助自制教具辅助教学，推动学生从感性认识向理性认识转化，深化对电磁继电器工作原理的理解。

1.3 依托真实验，发展探究素养

实验教学是评价学生物理核心素养的重要途径。通过自制教具开展“真实验”，引导学生在动手实践中发现问题、解决问题，从而提升科学探究能力^［3］。

1.4 强化知识联系，培养物理观念

教材仅说明电路的3种状态，但未阐释“短路”的可用性。该教具引导学生理解短路在控制电路中的实际应用，加强知识联系，深化物理观念的培养。

2 实验装置的制作及其教学价值

2.1 实验装置的制作

实验材料：水泵（带电源）、电浮球开关2个、电磁继电器、洞洞板、发光二极管、电阻、透明塑料收纳箱、浮球阀1个、单向阀2个、PVC水管、接头、水龙头等。

根据实验电路（图1）组装装置，电浮球开关如图2所示。在默认状态下，浮球在重力作用下处于下止点，此时开关为常闭状态（导通）；当浮球受浮力上升至上止点时，开关断开。在该装置中，下水位探头采用默认状态，即浮球在下止点时常闭、上止点时断开。对上水位探头进行改装：取下底部C形卡扣，调转浮球方向。改装后，浮球在下止点时变为常开状态（断开），而在上止点时闭合。这种“一常闭一常开”的设置，是实现水位自动控制的关键逻辑。另外，电源电压是24 V，笔者特选工作电压是12 V的继电器，让其与一个电阻串联，则电阻可在线圈被S₂短路时起到限制电流并避免电源短路的作用。线圈电阻是260 Ω，用两个510 Ω电阻并联得到一个255 Ω的等效电阻，且线圈串联后两者差不多各自分得12 V电压。

2.2 教学价值

（1） 模拟低水压居民生活区自动供水系统（图3-a）。该模拟装置旨在为低水压居民生活区提供一种简单、廉价、实用且节能的自动供水解决方案。其设计体现了“物理知识来源于生活，最终服务于生活”的核心素养理念，有助于培养学生勇于创新的科学素养以及将创意转化为实物的实践能力。

（2） 图3-b装置可帮助学生理解电路的3种状态（通路、断路和短路）在实际生活中的应用。特别是对“短路”的理解，教材通常只演示“电源短路”或“用电器被短接”的危险性实验现象，并未阐明此种短路状态在实际电路中亦可被合理利用以实现特定控制功能。该装置不仅通过实例展示了“用电器短路”的实际应用，还拓展了电磁继电器在自动控制（如水位控制）中的应用场景，弥补了教材仅将其作为报警器的单一功能局限。

2.3 装置亮点

该装置综合应用了电路、力学等知识，通过电磁继电器实现自动控制，兼具教学演示与实际应用价值。

（1） 充分利用了电磁继电器弱电流控制强电流，低电压控制高电压的优点。

（2） 利用“电流旁路”或“分流”的原理实现控制。当水位升高到设定值时，上水位探头内的开关闭合，且与线圈并联构成低阻旁路。此时，绝大部分电流将流经此开关，导致线圈电流骤减、磁场减弱，衔铁复位驱动触点切断水泵供电，停止抽水。

（3） 浮球阀用到阿基米德原理和杠杆原理，水位升高，浮球浸入水中的体积增大，受到的浮力增大，当浮力增大到设定值时，通过杠杆关闭阀门，防止水满溢出。

3 操作方法及注意事项

3.1 操作方法

（1） 将装置放在25 cm左右的塑料凳子上（其他相同高度的平台上也可以），在地面上放一个盛水容器，里面装上适量的水（10 L左右），将水泵浸没入水底，再将电源接入市电插座。

（2） 演示增压水泵抽水。闭合开关S，初始状态下蓄水池无水，所以下水位开关S₁闭合，继电器吸合衔铁，带动S₃、S₄同时闭合，水泵工作（图4）；随着蓄水池内水位的升高，下水位开关S₁断开，但是由于S₃尚处于自锁状态，即闭合状态，所以继电器线圈仍然有电流通过而正常吸合，水泵仍然继续工作。

（3） 演示电磁继电器线圈短路。当水位升高到设定的最高水位时，上水位开关S₂闭合，此时电磁继电器线圈被S₂短路，没有电流流过线圈，衔铁释放S₃、S₄，则水泵自动停止工作，避免水溢出。如果电路由于某种原因失控，水泵不能停止工作，那么当水位升高到危险水位时，浮球阀就会关闭蓄水池进水口，从而起到了第二重保险的作用。

（4） 演示系统对用户供水。打开用户水龙头放水，模拟蓄水池对用户供水过程。当水泵停止工作后，由于水泵进水口装有止回阀，所以不用担心蓄水池中的水会回流到本居住区之外的供水系统。当小区内用户用水时，蓄水池的水从出水口流出，水位下降。此时，上水位开关S₂首先断开。当水位继续下降到设定的最低水位后，下水位开关S₁闭合，继电器得电，水泵启动，开始新一轮抽水。如此周而复始，实现自动供水。蓄水池的水只能从浮球阀处流进，从出水口的单向阀处流出，这样设计的好处是单根水管完成蓄水、供水任务，既节约空间与成本，又降低施工难度。

3.2 注意事项

在实验教学中，教师应注重细节与严谨性，演示时需注意以下几点。

（1） 时间优化：蓄水池容器较大，导致其蓄水、排水时间较长，且移动不便。同时，受浮球阀尺寸限制，水流速度较慢，进一步增加了等待时间。为提高演示效率，可在池中预置空瓶以减少实际储水量，从而缩短工作周期。

（2） 安全措施：加装漏电保护器，在电路短路时自动跳闸，可保障用电安全。

（3） 教学理念：坚持以学生为主体，体现“从生活走向物理，从物理走向社会”的课程理念，培养学生的科学思维、合作能力及理论联系实际的意识。

4 结语

该模拟供水装置基于物理教材与生活实际设计，为低水压居民区提供了一种简易、廉价、实用且节能的自动供水模型。该装置有助于培养学生的创新素养与实践能力，并辅助学生理解通路、断路及短路在实际电路中的应用，特别是“短路”现象的工程价值。补充用电器短路实例，拓展了电磁继电器的教学应用^［4］，是对教材内容的有益延伸，体现了物理思想方法的运用，有助于提升学生的思维品质与科学探究能力。

参考文献

[1] 人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.义务教育教科书物理九年级全一册［M］.北京：人民教育出版社，2013.

[2] 吴雅苹，卢奕宏，柯聪明.微电磁继电器磁场和力学性质模拟研究［J］.物理实验，2017，37（01）：29-32.

[3] 中华人民共和国教育部. 义务教育物理课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[4] 王香芬，高成，付桂翠.电磁继电器电测失效分析技术研究［J］.低压电器，2011（02）：6-9，18.

基金资助

2021年贵州省教育规划立项课题“初中物理学科教学融入科技创新成果的实践研究”(2021B092)

2022年毕节市教育规划立项课题“核心素养视野下后进生学习行为习惯转化的策略研究”(2022A019)

“农村中学物理学科自制教具开发应用的实践研究”(2022B050)

2024年毕节市教育科学规划立项课题“跨学科视角下物理学科自制教具开发应用的实践研究”(2024B058)

2025年毕节市校本教研专项课题“问题链驱动下初中物理实验‘探究—论证—评价’教学模式实践研究”(2025JY017)