5. 某智能扫地机器人(如图甲所示)可通过灰尘传感器自动寻找灰尘清扫，通过电动机旋转、产生高速气流将灰尘等吸入集尘盒. 如图乙所示为其部分工作原理图，控制电路电源电压U为4.5 V，指示灯电阻为5 Ω，定值电阻$R_0$=12 Ω，R为光敏电阻，其阻值随光照强度E(单位：cd)的变化如图丙所示. 如下表为其部分工作参数. (注：电池容量指工作电流与工作总时间的乘积，线圈电阻不计)


(1)图乙中电磁铁根据电流的效应做成.
(2)当清扫到一定程度，地面灰尘减少，使照射到光敏电阻上的光照强度增强，则电磁铁磁性(选填“增强”“不变”或“减弱”)，衔铁将与(选填“A”或“C”)触头接触，电磁铁上端为(选填“N”或“S”)极.
(3)检测发现该品牌扫地机器人在光照强度恰好为3 cd时电动机开始工作，则相当于电压表示数等于V时，电动机开始工作.
(4)当剩余电量减为电池总容量的10%时，机器人会主动寻找充电器充电，充满电后电池储存的电能为J；在充满电后到主动寻找充电器期间的电池总容量能够持续供应该机器人正常工作h.

磁
增强
C
N
3
$1.08×10^{5}$
0.9

【分析】
本题综合考查电磁继电器、欧姆定律及电能计算的相关知识，解题思路如下：
1. 第(1)问：回忆电磁铁的制作原理，明确电流的磁效应是电磁铁的工作基础；
2. 第(2)问：结合图丙判断光照增强时光敏电阻的阻值变化，利用欧姆定律分析控制电路电流变化，进而判断电磁铁磁性强弱；根据磁性变化确定衔铁接触的触头；用安培定则判断电磁铁的极性；
3. 第(3)问：从图丙获取光照强度为3cd时光敏电阻的阻值，结合控制电路的串联关系，利用欧姆定律计算电路电流，再根据U=IR求出电压表的示数；
4. 第(4)问：利用电能公式W=UIt计算电池储存的电能，结合电池容量的比例关系，根据t=Q/I计算持续工作时间。
【解析】
(1) 电磁铁是根据电流的磁效应做成的，电流通过导体时会产生磁场，利用这一效应实现电磁铁的磁性控制。
(2) 当光照强度增强时，由图丙可知光敏电阻$R$的阻值减小，控制电路总电阻减小，电源电压不变，根据欧姆定律$I=\frac{U}{R}$，控制电路电流增大，电磁铁的磁性增强；磁性增强后，衔铁被吸引向下，与C触头接触；根据安培定则，右手握住螺线管，四指指向电流流向（上端流入、下端流出），大拇指指向上端，故电磁铁上端为N极。
(3) 当光照强度为3cd时，由图丙可知光敏电阻$R=6\Omega$，控制电路中$R$与$R_0$串联，总电阻$R_{总}=6\Omega+12\Omega=18\Omega$，电路电流$I=\frac{U}{R_{总}}=\frac{4.5V}{18\Omega}=0.25A$；电压表测定值电阻$R_0$的电压，根据$U=IR$得：$U_0=IR_0=0.25A×12\Omega=3V$，即电压表示数为3V时电动机开始工作。
(4) 电池容量$Q=2000mAh=2A×3600s=7200As$，充满电后电池储存的电能：
$W=UIt=UQ=15V×7200As=1.08×10^5J$；
充满电后到主动寻找充电器期间，可用电池容量$Q'=2000mAh×(1-10\%)=1800mAh=1.8Ah$，正常工作电流$I=2A$，持续工作时间：
$t=\frac{Q'}{I}=\frac{1.8Ah}{2A}=0.9h$。
【答案】
(1) 磁
(2) 增强；C；N
(3) 3
(4) $1.08×10^{5}$；0.9
【知识点】
电流的磁效应；欧姆定律的应用；电能的计算
【点评】
本题将电磁学与电学计算结合，需要从图像、表格中提取有效信息，串联电路规律、欧姆定律及电能公式的应用是解题关键，对学生的综合分析能力有一定要求。
【难度系数】
0.6

6. 如图甲所示是一款普通的豆芽机，项目小组同学想在图甲的豆芽机上增设智能控温和自动淋水功能，从而保证豆子发芽需要的适宜温度和湿度. 如图乙所示是智能豆芽机的简化模型图. 项目小组同学为此开展了以下的项目式学习.

【任务一】设计豆芽机的温控装置

控温装置的电路设计如图丙所示，可实现加热、保温两挡自动切换，$R_x$为热敏电阻(置于发育盒内)，R为电阻箱，$R_1$、$R_2$为电热丝，且$R_1$=2$R_2$，控制电路电流$≥$5 mA时被吸下.
(1)$R_x$主要是由(选填“绝缘体”“半导体”或“超导体”)材料制作而成，当温度升高时，$R_x$的阻值(选填“变大”“变小”或“不变”).
(2)如图丙所示，开关$S_0$闭合时，电磁铁的上端为极，当衔铁被吸下来时，工作电路处于(选填“加热”或“保温”)状态，加热与保温功率之比为.
(3)豆芽适宜在23～28 ℃环境下生长，豆芽机若要实现25 ℃自动切换挡位，则控制电路中电阻箱R应该调为；干电池用久了，会导致发育盒内温度比设定的温度，除了更换电池外，还可以采取措施是，使得豆芽机恢复在25 ℃自动切换挡位.
【任务二】设计豆芽机的喷淋装置
(4)如图乙所示，水在水泵的作用下通过水管输送到淋水系统，多余的水通过沥水孔会回到水箱. 水泵喷口流量指水泵1 h内喷出的水的质量. 若水泵的流速为0.5 m/s，喷口的横截面积为0.4 $cm^2$，则水泵喷口流量为kg/h.
(5)实验小组同学结合豆芽的生长特性，采用淋水系统定时给豆芽淋水，而不是将豆芽浸泡在水中的原因是.
控制水泵间歇性喷水的电路设计如图戊所示，AB两端输入如图己所示的周期性变化的电压$U_{AB}$，定值电阻$R_0$=2 Ω，D为电阻可以变化的电子元件. 当图戊中$U_{AB}$＜5 V时，D两端的电压$U_D$等于电子元件D两端的实际输入电压；$U_{AB}$＞5 V时，电子元件D通过改变阻值，控制$U_D$保持5 V不变. 则t=3 s时，通过电路的电流为A；若要使豆芽机在1 h内，喷水时间为20 min，请你结合上面的电路设计，应设置$R_0$的电功率$P_0≥$W时，水泵启动喷水.

半导体
变小
S
保温
3:1
$\frac{U}{0.005\ \mathrm{A}}-300\ \Omega$
偏高
适当减小$R_{x}$的阻值，使热敏电阻阻值不变
72
种子发芽需要呼吸，采用淋水系统定时给豆芽淋水，更利于豆芽生长
5
12.5

【分析】
1. 第(1)问：热敏电阻利用半导体的热敏性工作，因此由半导体材料制成；温度升高时，为使控制电路电流达到5mA触发衔铁吸合，热敏电阻阻值需变小，从而减小控制电路总电阻，增大电流。
2. 第(2)问：根据安培定则，电流从电磁铁上端流入，可判断上端为S极；衔铁吸下时，工作电路中$R_1$与$R_2$串联，总电阻大，由$P=\frac{U^2}{R}$可知功率小，为保温挡；加热挡时$R_1$被短路，仅$R_2$工作，结合$R_1=2R_2$，分别计算加热、保温功率，得出功率比值。
3. 第(3)问：控制电路电流达到5mA时衔铁吸合，由欧姆定律计算控制电路总电阻，减去25℃时热敏电阻的阻值（300Ω）得到电阻箱$R$的阻值；干电池用久后电压降低，需热敏电阻阻值更小（温度更高）才能达到触发电流，因此发育盒实际温度偏高；可通过减小电阻箱$R$的阻值，使总电阻减小，保证25℃时控制电路电流仍能达到5mA。
4. 第(4)问：先根据流速和横截面积计算每秒喷出的水的体积，再利用密度公式求出每秒出水质量，最后换算为1小时的质量即喷口流量。
5. 第(5)问：种子发芽需要呼吸作用，浸泡在水中会缺氧，定时淋水既能保证湿度，又能提供充足氧气；$t=3s$时，$U_{AB}=15V$，此时$U_D=5V$，计算$R_0$两端电压后，由欧姆定律求电流；要使1小时喷水20min，需$R_0$的电功率达到12.5W时水泵启动，结合$P=\frac{U^2}{R}$推导得出。
【解析】
(1) 热敏电阻是利用半导体的热敏特性制成的，因此$R_x$由半导体材料制作；温度升高时，为使控制电路电流达到5mA触发衔铁吸合，$R_x$的阻值需变小。
(2) 根据安培定则，电流从电磁铁上端流入，四指指向电流方向，大拇指指向下端（N极），故上端为S极；衔铁吸下时，$R_1$与$R_2$串联，总电阻$R_{串}=R_1+R_2=3R_2$，保温功率$P_{保}=\frac{U^2}{3R_2}$；加热挡时$R_1$被短路，仅$R_2$工作，加热功率$P_{加}=\frac{U^2}{R_2}$，因此$P_{加}:P_{保}=\frac{U^2}{R_2}:\frac{U^2}{3R_2}=3:1$，此时为保温状态。
(3) 控制电路电流$I=5mA=0.005A$，由欧姆定律得总电阻$R_{总}=\frac{U}{I}=\frac{U}{0.005\ \mathrm{A}}$，已知25℃时$R_x=300\ \Omega$，则$R=R_{总}-R_x=\frac{U}{0.005\ \mathrm{A}}-300\ \Omega$；干电池用久后电压降低，要达到0.005A的电流，需$R_x$更小（温度更高），故发育盒温度偏高；可适当减小电阻箱$R$的阻值，使总电阻减小，保证25℃时控制电路电流仍能达到5mA。
(4) 喷口横截面积$S=0.4\ \mathrm{cm^2}=0.4×10^{-4}\ \mathrm{m^2}$，每秒出水体积$V=Sv=0.5\ \mathrm{m/s}×0.4×10^{-4}\ \mathrm{m^2}=2×10^{-5}\ \mathrm{m^3}$，每秒出水质量$m=\rho V=1.0×10^3\ \mathrm{kg/m^3}×2×10^{-5}\ \mathrm{m^3}=0.02\ \mathrm{kg}$，1小时出水质量$m_{总}=0.02\ \mathrm{kg/s}×3600\ \mathrm{s}=72\ \mathrm{kg}$，即流量为72kg/h。
(5) 种子发芽需要呼吸作用，浸泡在水中会缺氧，定时淋水既能保证湿度，又能提供充足氧气，更利于豆芽生长；$t=3s$时，$U_{AB}=15V$，$U_D=5V$，$R_0$两端电压$U_0=15V-5V=10V$，电流$I=\frac{U_0}{R_0}=\frac{10V}{2\Omega}=5A$；要使1小时喷水20min，当$R_0$的电功率$P_0≥12.5W$时，$U_0=\sqrt{P_0R_0}=\sqrt{12.5W×2\Omega}=5V$，此时$U_{AB}=U_0+U_D=10V$，满足喷水时间要求。
【答案】
半导体；变小；S；保温；3:1；$\frac{U}{0.005\ \mathrm{A}}-300\ \Omega$；偏高；适当减小$R_{x}$的阻值，使热敏电阻阻值不变；72；种子发芽需要呼吸，采用淋水系统定时给豆芽淋水，更利于豆芽生长；5；12.5
【知识点】
半导体的特性；电功率的计算；欧姆定律的应用
【点评】
本题结合智能豆芽机的实际场景，综合考查了半导体、电磁铁、电功率、欧姆定律及流体流量计算等知识，注重物理知识在生活中的应用，要求学生具备综合分析电路、运用公式解决实际问题的能力，理解控制电路与工作电路的联动逻辑是解题核心。
【难度系数】
0.4