跨学科实践 制作大棚环境控制系统模型
跨学科实践
√答案 P72
项目主题 制作大棚环境控制系统模型
项目情境 随着科技的发展,大棚种植的品种越来越多,大棚种植水平不断提高,并向着智能化方向发展。让我们尝试设计大棚内部环境控制系统,提升综合应用生物学、化学、物理学等知识解决实际问题的能力。
活动性任务一 研究水培种植中的液面高度控制系统
驱动性问题一 1 小星通过调查得知,植物对营养液的吸收以及营养液的蒸发,都会降低液面高度,因此大棚中的水培种植需要将液面控制在一定高度。如图甲所示,是小星设计的液面高度控制系统的简化示意图。
(1)当液面高度降低时,左侧电路断开,电磁铁无磁性,右侧电路动触点与(填“上方”或“下方”)触点接触,(填“电动机”或“指示灯”)开始工作,液面上升。
(2)当液面高度到达金属块A时,左侧电路接通,电磁铁有,吸引,(填“电动机”或“指示灯”)开始工作。

活动性任务二 研究大棚种植中的湿度控制系统
驱动性问题二 2 小星为大棚种植设计了湿度控制系统,其简化电路如图乙。控制电路的电源电压为6 V,电阻$R_0$的阻值为50 Ω,控制电路中湿敏电阻R的阻值随空气湿度H的变化关系如图丙。当线圈中的电流减小至0.04 A时,衔铁被松开,加湿器开始工作。问:


(1)该系统能使大棚内空气湿度H最低控制为。
(2)当湿度H达到80%时,才将衔铁吸下停止加湿,则此时控制电路中的电流为A。

1. (1)上方 电动机 (2)磁性 衔铁 指示灯
2. (1)60% (2)0.06
【解析】
(1)当线圈中的电流减小至0.04 A时,衔铁被松开,加湿器开始工作,此时控制电路的总电阻$R_总=\frac{U}{I}=\frac{6\ \mathrm{V}}{0.04\ \mathrm{A}}=150\ \Omega$,此时湿敏电阻的阻值$R=R_总-R_0=150\ \Omega-50\ \Omega=100\ \Omega$,根据题图丙可知,此时对应的湿度为60%。
(2)当湿度H达到80%时,对应的湿敏电阻的阻值$R'=50\ \Omega$,此时有$R'_总=R'+R_0=50\ \Omega+50\ \Omega=100\ \Omega$,控制电路中的电流$I'=\frac{U}{R'_总}=\frac{6\ \mathrm{V}}{100\ \Omega}=0.06\ \mathrm{A}$。

【分析】
本题分为液面高度控制系统和湿度控制系统两部分，需结合电磁继电器的工作原理、欧姆定律及湿敏电阻的特性解题。对于液面控制系统，核心是理解电磁铁有无磁性对触点的控制作用，进而判断工作的用电器；对于湿度控制系统，需运用欧姆定律计算湿敏电阻阻值，结合图像对应湿度或计算电流，解题时先明确电路逻辑，再逐步推导。
【解析】
1. 液面高度控制系统：
(1) 当液面降低时，左侧电路断开，电磁铁无磁性，衔铁复位，右侧电路动触点与上方触点接触，电动机接入电路，开始工作使液面上升。
(2) 当液面到达金属块A时，左侧电路接通，电磁铁有磁性，吸引衔铁，右侧电路动触点与下方触点接触，指示灯接入电路，开始工作。
2. 湿度控制系统：
(1) 已知控制电路电源电压U=6V，当电流I=0.04A时，根据欧姆定律，总电阻$R_总=\frac{U}{I}=\frac{6\ \mathrm{V}}{0.04\ \mathrm{A}}=150\ \Omega$，湿敏电阻阻值$R=R_总-R_0=150\ \Omega-50\ \Omega=100\ \Omega$，结合题图丙，对应空气湿度H=60%。
(2) 当湿度H=80%时，结合题图丙，湿敏电阻阻值$R'=50\ \Omega$，总电阻$R'_总=R'+R_0=50\ \Omega+50\ \Omega=100\ \Omega$，此时控制电路电流$I'=\frac{U}{R'_总}=\frac{6\ \mathrm{V}}{100\ \Omega}=0.06\ \mathrm{A}$。
【答案】
1. (1)上方；电动机 (2)磁性；衔铁；指示灯
2. (1)60% (2)0.06
【知识点】
电磁继电器原理、欧姆定律应用、电路分析
【点评】
本题为跨学科实践题，结合大棚种植实际场景，考查电磁继电器工作逻辑与欧姆定律的应用，注重知识的实际运用，需学生将物理知识与生产生活结合，难度适中，能有效考查综合应用能力。
【难度系数】
0.6