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28.(9分)愉快的暑假即将到来,为了保证教室内的花草正常生长,科学兴趣小组设计了一个自动浇花机器人,要求其按线路巡视并检测土壤的湿度,然后根据检测结果及时浇花。
【项目设计】项目一:设计线路巡查系统。如图甲所示,场地布置为白底,引导线为黑线,机器人腹部装有五个红外线发射接收管,按照图甲中a、b、c、d、e的顺序依次接收信号,并沿黑线前进。已知:当红外线发射接收管处在黑线位置时,发出的红外线会被黑色吸收,无法接收到地面反射,此时输出电信号为0;当红外线发射接收管处在白底位置时,发出的红外线经地面发射,均被红外线发射接收管接收,此时输出电信号为1。
项目二:设计湿度检测系统。如图乙所示为设计的湿度系统原理图,实现了土壤干燥时浇水、土壤潮湿到一定程度时停止浇水的要求。已知控制电路电源电压U为12V,电磁铁线圈的电阻为10Ω,R为湿敏电阻,其阻值随湿度的变化如图丙所示。电磁继电器在电流大于80mA时,衔铁被吸合;在电流小于24mA时,衔铁被释放。(湿度计的电阻不计)
【项目评价】下表是项目二的部分评价指标,根据评价表对活动进行评价。
(1)在巡查过程中,机器人的红外线发射接收管连续发出红外线照射到地面上,当机器人腹部的五个红外线发射接收管输出的电信号依次为01010时,机器人正在沿着引导线(填“前进”“右转”或“左转”)。
(2)使用该浇花机器人后,土壤湿度维持在多少?
(3)根据评价指标,你的评价结果为;为了达到优秀,请给出一条优化建议:。
【项目设计】项目一:设计线路巡查系统。如图甲所示,场地布置为白底,引导线为黑线,机器人腹部装有五个红外线发射接收管,按照图甲中a、b、c、d、e的顺序依次接收信号,并沿黑线前进。已知:当红外线发射接收管处在黑线位置时,发出的红外线会被黑色吸收,无法接收到地面反射,此时输出电信号为0;当红外线发射接收管处在白底位置时,发出的红外线经地面发射,均被红外线发射接收管接收,此时输出电信号为1。
项目二:设计湿度检测系统。如图乙所示为设计的湿度系统原理图,实现了土壤干燥时浇水、土壤潮湿到一定程度时停止浇水的要求。已知控制电路电源电压U为12V,电磁铁线圈的电阻为10Ω,R为湿敏电阻,其阻值随湿度的变化如图丙所示。电磁继电器在电流大于80mA时,衔铁被吸合;在电流小于24mA时,衔铁被释放。(湿度计的电阻不计)
【项目评价】下表是项目二的部分评价指标,根据评价表对活动进行评价。
(1)在巡查过程中,机器人的红外线发射接收管连续发出红外线照射到地面上,当机器人腹部的五个红外线发射接收管输出的电信号依次为01010时,机器人正在沿着引导线(填“前进”“右转”或“左转”)。
(2)使用该浇花机器人后,土壤湿度维持在多少?
(3)根据评价指标,你的评价结果为;为了达到优秀,请给出一条优化建议:。
答案
右转
合格
在控制电路中串联一个滑动变阻器(合理即可)
解：
(2)当电磁继电器衔铁被吸合(控制电路中的电流$ I_1=80\mathrm{mA}=0.08\mathrm{A})$时,根据欧姆定律可得,控制电路总电阻$R_{\mathrm{总}1}=\frac{U}{I_1}=\frac{12\mathrm{V}}{0.08\mathrm{A}}=150\Omega;$电磁铁线圈的电阻$ R_{\mathrm{线}}=10\Omega,$根据串联电路电阻特点可得,湿敏电阻阻值$ R=R_{\mathrm{总}1}-R_{\mathrm{线}}=150\Omega-10\Omega=140\Omega;$由题图丙可知,此时对应的湿度 40\% 为较高湿度(土壤潮湿,停止浇水);当电磁继电器衔铁被释放(控制电路中的电流$ I_2=24\mathrm{mA}=0.024\mathrm{A})$时,根据欧姆定律可得,控制电路总电阻$ R_{\mathrm{总}2}=\dfrac{U}{I_2}=\frac{12\mathrm{V}}{0.024\mathrm{A}}=500\Omega;$根据串联电路电阻特点可得,此时湿敏电阻阻值$ R'=R_{\mathrm{总}2}-R_{\mathrm{线}}=500\Omega-10\Omega=490\Omega;$由题图丙可知,此时对应的湿度 15\% 为较低湿度(土壤干燥,需要浇水);所以使用该浇花机器人后,土壤湿度维持在 15\%∼40\%。
合格
在控制电路中串联一个滑动变阻器(合理即可)
解：
(2)当电磁继电器衔铁被吸合(控制电路中的电流$ I_1=80\mathrm{mA}=0.08\mathrm{A})$时,根据欧姆定律可得,控制电路总电阻$R_{\mathrm{总}1}=\frac{U}{I_1}=\frac{12\mathrm{V}}{0.08\mathrm{A}}=150\Omega;$电磁铁线圈的电阻$ R_{\mathrm{线}}=10\Omega,$根据串联电路电阻特点可得,湿敏电阻阻值$ R=R_{\mathrm{总}1}-R_{\mathrm{线}}=150\Omega-10\Omega=140\Omega;$由题图丙可知,此时对应的湿度 40\% 为较高湿度(土壤潮湿,停止浇水);当电磁继电器衔铁被释放(控制电路中的电流$ I_2=24\mathrm{mA}=0.024\mathrm{A})$时,根据欧姆定律可得,控制电路总电阻$ R_{\mathrm{总}2}=\dfrac{U}{I_2}=\frac{12\mathrm{V}}{0.024\mathrm{A}}=500\Omega;$根据串联电路电阻特点可得,此时湿敏电阻阻值$ R'=R_{\mathrm{总}2}-R_{\mathrm{线}}=500\Omega-10\Omega=490\Omega;$由题图丙可知,此时对应的湿度 15\% 为较低湿度(土壤干燥,需要浇水);所以使用该浇花机器人后,土壤湿度维持在 15\%∼40\%。
解析
【分析】
本题分为三个问题：(1)需根据红外线信号的含义判断机器人的转向，明确黑线对应信号0、白底对应信号1，结合五个管的信号分布判断转向；(2)需利用欧姆定律，结合电磁继电器的吸合、释放电流，计算湿敏电阻阻值，再对应图丙的湿度范围；(3)需根据项目评价结果，给出合理的优化建议。
【解析】
(1) 由题意知，红外线发射接收管在黑线处输出电信号0，在白底处输出电信号1。五个管按a、b、c、d、e顺序接收信号，当信号为01010时，a、c、e在黑线（输出0），b、d在白底（输出1），说明机器人正在沿引导线右转。
(2) ① 电磁继电器衔铁吸合时，控制电路电流$I_1=80\mathrm{mA}=0.08\mathrm{A}$，根据欧姆定律$I=\frac{U}{R}$，控制电路总电阻$R_{\mathrm{总}1}=\frac{U}{I_1}=\frac{12\mathrm{V}}{0.08\mathrm{A}}=150\Omega$；电磁铁线圈电阻$R_{\mathrm{线}}=10\Omega$，串联电路中湿敏电阻阻值$R=R_{\mathrm{总}1}-R_{\mathrm{线}}=150\Omega-10\Omega=140\Omega$，由图丙得对应湿度为40%（潮湿，停止浇水）。
② 电磁继电器衔铁释放时，控制电路电流$I_2=24\mathrm{mA}=0.024\mathrm{A}$，同理控制电路总电阻$R_{\mathrm{总}2}=\frac{U}{I_2}=\frac{12\mathrm{V}}{0.024\mathrm{A}}=500\Omega$；湿敏电阻阻值$R'=R_{\mathrm{总}2}-R_{\mathrm{线}}=500\Omega-10\Omega=490\Omega$，由图丙得对应湿度为15%（干燥，需要浇水）。因此土壤湿度维持在15%~40%。
(3) 根据项目评价指标，评价结果为合格；优化建议：在控制电路中串联一个滑动变阻器（合理即可），可调节电流大小，改变湿度控制范围，达到优秀。
【答案】右转；合格；在控制电路中串联一个滑动变阻器（合理即可）；15%~40%
【知识点】欧姆定律的应用、电磁继电器、传感器的应用
【点评】本题以自动浇花机器人为载体，将电学知识与实际应用结合，考查学生对电路计算、电磁继电器工作原理的理解，以及结合图像分析数据、进行项目评价的能力，综合性较强，需要学生具备一定的知识迁移能力。
【难度系数】0.5
本题分为三个问题：(1)需根据红外线信号的含义判断机器人的转向，明确黑线对应信号0、白底对应信号1，结合五个管的信号分布判断转向；(2)需利用欧姆定律，结合电磁继电器的吸合、释放电流，计算湿敏电阻阻值，再对应图丙的湿度范围；(3)需根据项目评价结果，给出合理的优化建议。
【解析】
(1) 由题意知，红外线发射接收管在黑线处输出电信号0，在白底处输出电信号1。五个管按a、b、c、d、e顺序接收信号，当信号为01010时，a、c、e在黑线（输出0），b、d在白底（输出1），说明机器人正在沿引导线右转。
(2) ① 电磁继电器衔铁吸合时，控制电路电流$I_1=80\mathrm{mA}=0.08\mathrm{A}$，根据欧姆定律$I=\frac{U}{R}$，控制电路总电阻$R_{\mathrm{总}1}=\frac{U}{I_1}=\frac{12\mathrm{V}}{0.08\mathrm{A}}=150\Omega$；电磁铁线圈电阻$R_{\mathrm{线}}=10\Omega$，串联电路中湿敏电阻阻值$R=R_{\mathrm{总}1}-R_{\mathrm{线}}=150\Omega-10\Omega=140\Omega$，由图丙得对应湿度为40%（潮湿，停止浇水）。
② 电磁继电器衔铁释放时，控制电路电流$I_2=24\mathrm{mA}=0.024\mathrm{A}$，同理控制电路总电阻$R_{\mathrm{总}2}=\frac{U}{I_2}=\frac{12\mathrm{V}}{0.024\mathrm{A}}=500\Omega$；湿敏电阻阻值$R'=R_{\mathrm{总}2}-R_{\mathrm{线}}=500\Omega-10\Omega=490\Omega$，由图丙得对应湿度为15%（干燥，需要浇水）。因此土壤湿度维持在15%~40%。
(3) 根据项目评价指标，评价结果为合格；优化建议：在控制电路中串联一个滑动变阻器（合理即可），可调节电流大小，改变湿度控制范围，达到优秀。
【答案】右转；合格；在控制电路中串联一个滑动变阻器（合理即可）；15%~40%
【知识点】欧姆定律的应用、电磁继电器、传感器的应用
【点评】本题以自动浇花机器人为载体，将电学知识与实际应用结合，考查学生对电路计算、电磁继电器工作原理的理解，以及结合图像分析数据、进行项目评价的能力，综合性较强，需要学生具备一定的知识迁移能力。
【难度系数】0.5
