Question

7．掃地機器人是一款能自動清掃的智能家用電器，如圖甲．
機器人通過電動機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生高速氣流，將灰塵、雜物吸入集塵盒；其防滑輪皮采用凸凹材質(zhì)制成；底部安裝有塑料刷，用于清掃吸附在地板上的灰塵及輕小物體；前端裝有感應器，通過發(fā)射、接收超聲波或紅外線來偵測障礙物．當剩余電量減為電池容量的20%時，機器人會主動尋找充電器充電．表一為某掃地機器人的部分參數(shù)．電池容量指放電電流與放電總時間的乘積．
表一：

額定工作電壓	12V	額定功率	30W
電池容量	2500mAh	工作噪音	＜50dB

機器人中吸塵電機的吸入功率是衡量其優(yōu)劣的重要參數(shù)，測得某吸塵電機的吸入功率與真空度、風量間的對應關系如表二．真空度指主機內(nèi)部氣壓與外界的氣壓差．風量指單位時間內(nèi)通過吸塵電機排出的空氣體積．吸塵電機吸入功率與輸入功率的比值叫做效率．
表二：

真空度（Pa）	400	450	500	550	600
風量（m3/s）	0.025	0.02	0.017	0.015	0.013
吸入功率（W）	10.00	9.00	8.50		7.80

（1）機器人工作時，主機內(nèi)部的氣壓小于（選填“大于”、“小于”或“等于”）大氣壓而產(chǎn)生吸力．若該機器人向障礙物垂直發(fā)射超聲波，經(jīng)過0.001s收到回波，則其發(fā)射超聲波時與障礙物間的距離約為17cm．（設超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s）
（2）下列說法中錯誤的是B．
A．地面有靜電時，輕小物體會吸附在地板上而不易清掃
B．當遇到玻璃門等透明障礙物時，使用紅外線感應器效果較好
C．機器人工作時發(fā)出的聲音不會對人的聽力造成損傷
D．采用凸凹材質(zhì)的輪皮，可增大機器人與地面間的摩擦
（3）該機器人正常工作時的電流為2.5A；充滿電后至下一次自動充電前能夠連續(xù)正常工作的最長時間為48min．
（4）由表二數(shù)據(jù)可知，當風量為0.015m³/s時，若吸塵電機的輸入功率為25W，此時其效率為33%；上述風量下，10min內(nèi)通過吸塵電機提出的空氣質(zhì)量為11.7kg．（取ρ_空氣=1.3kg/m³）
（5）光敏電阻是制作灰塵傳感器的常用元件．圖乙為某光敏電阻的控制電路，電源電壓U₀恒定，R_G為光敏電阻，其阻值隨空氣透光程度的變化而變化，R₀為定值電阻．當光敏電阻分別為6Ω和18Ω時，電壓表的示數(shù)分別為6V和3V，則R₀=6Ω；為監(jiān)測空氣的透光程度，要將電壓表表盤的相關刻度值轉(zhuǎn)化為對應的總阻值（R₀+R_G），則轉(zhuǎn)化后表盤上從左到右刻度線對應的阻值將減�。ㄟx填“增大”、“不變”或“減小”）．

Answer 1

分析 （1）由流體壓強與流速的關系：流速越大的位置壓強越�。幌雀鶕�(jù)s_總=vt算出總路程，利用s=$\frac{{s}_{總}}{2}$即可求出發(fā)射超聲波時與障礙物間的距離；
（2）①靜電現(xiàn)象，帶電體具有吸引輕小物體的性質(zhì)；
②紅外線的物理特性有：熱作用強；穿透云霧的能力強；
③聲音的強弱等級用分貝來表示．0dB是人能聽到的最微弱的聲音；30-40dB是較為理想的安靜環(huán)境；70dB會干擾生活、影響工作；長期生活在90dB以上的噪聲環(huán)境中，聽力會受到嚴重的影響；超過150dB的噪聲環(huán)境，會使雙耳完全失去聽力；
④增大摩擦的方法：增大壓力和增大接觸面的粗糙程度；
（3）知道額定電壓和額定功率，根據(jù)I=$\frac{P}{U}$求出機器人正常工作時的電流；先算出消耗的電池容量Q=Q₁-Q₂，再利用t=$\frac{Q}{I}$求出連續(xù)正常工作的最長時間；
（4）由表格中數(shù)據(jù)可知，吸入功率與真空度和風量的關系，求出吸塵電機吸入功率，再根據(jù)η_電機=$\frac{{P}_{吸入}}{{P}_{輸入}}$×100%求出吸塵電機的效率；根據(jù)風量和時間求出空氣的體積，再利用m=ρ_空氣V通過吸塵電機提出的空氣質(zhì)量；
（5）根據(jù)串聯(lián)電路電流相等的特點，利用歐姆定律I=$\frac{U}{R}$列出光敏電阻在不同阻值的電流方程，聯(lián)立即可解得定值電阻的阻值；利用歐姆定律I=$\frac{U}{R}$找出電壓表示數(shù)與對應的總阻值（R₀+R_G）的關系，即可判斷表盤上從左到右相鄰兩刻度線對應阻值的減小量．

解答 解：（1）由流體壓強與流速的關系：流速越大的位置壓強越小可知，機器人在工作時，由于轉(zhuǎn)動的扇葉處氣體的流速大，壓強小，
在外界大氣壓的作用下將灰塵、雜物吸入集塵盒，故主機內(nèi)部的氣壓小于大氣壓而產(chǎn)生吸力．
由v=$\frac{s}{t}$得，超聲波從發(fā)射到收到回波所通過的總路程：
s_總=vt=340m/s×0.001s=0.34m，
則其發(fā)射超聲波時與障礙物間的距離：
s=$\frac{{s}_{總}}{2}$=$\frac{0.34m}{2}$=0.17m=17cm；
（2）A．地面有靜電時，由于帶電體具有吸引輕小物體的性質(zhì)，所以輕小物體會吸附在地板上而不易清掃，故A正確；
B．當遇到玻璃門等透明或半透明障礙物時，其將直接穿過而不產(chǎn)生任何回波，這樣掃地機器人就無法感應到前方有障礙物，
于是也就無法做出減速的工作了，所以不能使用紅外線感應器，使用超聲波感應器較好，故B錯誤；
C．為了保護聽力，應控制噪聲不超過90dB，機器人工作時發(fā)出的聲音小于50dB，所以不會對人的聽力造成損傷，故C正確；
D．采用凸凹材質(zhì)的輪皮，是為了在壓力一定時，增大接觸面的粗糙程度來增大機器人與地面間的摩擦，故D正確．
故選D．
（3）由P=IU得，機器人正常工作時的電流：
I=$\frac{P}{U}$=$\frac{30W}{12V}$=2.5A，
充滿電后的電池容量Q₁=2500mAh，下一次自動充電前的電池容量：
Q₂=ηQ₁=20%×2500mAh=500mAh，
消耗的電池容量：
Q=Q₁-Q₂=2500mAh-500mAh=2000mAh，
正常工作時的電流：
I=2.5A=2500mA，
由I=$\frac{Q}{t}$得，連續(xù)正常工作的最長時間：
t=$\frac{Q}{I}$=$\frac{2000mAh}{2500mA}$=0.8h=48min；
（4）由表格中數(shù)據(jù)可知，吸入功率等于真空度與風量的乘積，
當風量為0.015m³/s時，吸塵電機吸入功率：
P_吸入=550Pa×0.015m³/s=8.25W，
電動機的效率：
η_電機=$\frac{{P}_{吸入}}{{P}_{輸入}}$×100%=$\frac{8.25W}{25W}$×100%=33%，
當風量為0.015m³/s時，t=10min=600s，
通過吸塵電機提出的空氣體積：
V=0.015m³/s×600s=9m³，
由ρ=$\frac{m}{V}$得，通過吸塵電機提出的空氣質(zhì)量：
m=ρ_空氣V=1.3kg/m³×9m³=11.7kg；
（5）由電路圖可知，光敏電阻R_G和定值電阻R₀串聯(lián)，電壓表測定值電阻R₀兩端的電壓，
當光敏電阻R_G1=6Ω時，電壓表的示數(shù)U₁=6V，光敏電阻兩端的電壓U=U₀-U₁，
此時電路中的電流：
I₁=$\frac{{U}_{1}}{{R}_{0}}$=$\frac{{U}_{0}-{U}_{1}}{{R}_{G1}}$，即$\frac{6V}{{R}_{0}}$=$\frac{{U}_{0}-6V}{6Ω}$…①
當光敏電阻R_G2=18Ω時，電壓表的示數(shù)U₁=3V，光敏電阻兩端的電壓U′=U₀-U₂，
此時電路中的電流：
I₂=$\frac{{U}_{2}}{{R}_{0}}$=$\frac{{U}_{0}-{U}_{2}}{{R}_{G2}}$，即$\frac{3V}{{R}_{0}}$=$\frac{{U}_{0}-3V}{18Ω}$…②
聯(lián)立①②可解得：U₀=12V，R₀=6Ω，
設電壓表示數(shù)為U，此時電路中的電流：
I=$\frac{U}{{R}_{0}}$=$\frac{{U}_{0}}{{R}_{0}+{R}_{G}}$，
即U=$\frac{{U}_{0}{R}_{0}}{{R}_{0}+{R}_{G}}$，電源電壓U₀恒定，R₀為定值電阻，
由此可見，電壓表的示數(shù)U與總阻值（R₀+R_G）成反比，則轉(zhuǎn)化后表盤上從左到右相鄰兩刻度線對應阻值的減小量將減小．
故答案為：
（1）小于；17；
（2）B；
（3）2.5；48；
（4）33%；11.7；
（5）6；減�。�

點評 本題涉及到力學、聲學、光學、電學等物理知識較多，跨度大，綜合性很強，有一定的難度，需要仔細分析判斷，學生要熟練掌握電功率公式、電流的定義式、效率公式的綜合應用，理解電池容量的含義和效率公式的應用是關鍵．