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1. 【任务要求】五一假期很多同学有出游计划，为了在五一假期保证阳台处的花正常生长，同学们设计了自动浇花机器人，要求按线路巡查，检测土壤的湿度自动浇花。
【设计实施】
任务一:设计线路巡查系统,如图甲所示,场地布置为白色底,引导线为黑线,机器人沿着黑线前进,当红外线发射接收管处在黑线位置时,发出的红外线大部分被黑色吸收,机器人腹部装有五个红外线发射接收管分别用$ L_1、L_2、ZZ、R_1、R_2 $来表示($ L_1 $为左边第一个;$ L_2 $为左边第二个、ZZ为中间、$ R_1 $为右边第一个、$ R_2 $为右边第二个,本题中依次就是按上述顺序)。当红外线发射接收管接收到地面反射的红外线较强时输出电信号为1,几乎没有接收到地面反射的红外线时输出电信号为0。
任务二:设计湿度检测系统,如图乙为设计的湿度系统原理图,控制电路电源电压$ U=6\ \mathrm{V} $,电磁铁线圈电阻为$ 10\ \Omega $,$ R $为湿敏电阻,其阻值随湿度的变化如图丙。电磁继电器在电流大于20 mA时,衔铁被吸合;在电流小于12 mA时,衔铁被释放。(湿度计的电阻不计)
【交流评价】表格是任务二的部分评价指标,根据评价表对活动进行评价。
(1)关于自动浇花机器人的实践活动,下列说法正确的是 (
A.人眼可看到机器人发出的红外线
B.引导线越黑越容易反射红外线
C.图乙中湿度计可能是由电流表改装的
D.图乙中通电线圈的上端是N极
(2)红外线发射接收管发出红外线照射到白色地面上发生
(3)根据以上信息,要想实现土壤干燥时浇水,土壤潮湿到一定程度时切断水泵电路,停止浇水,图乙中接头A、B应连接触点
(4)根据评价表中的指标对任务二进行评价,你的评价等级为
(5)(装置改进)阳台处栽种了一些杜鹃花,需要较高的湿度才能更好生长,因此需提高湿度的最低值,若控制电路电源电压可调,并提供一个定值电阻,为了达到目的,请你写出两个可行的方案:
①
②
【设计实施】
任务一:设计线路巡查系统,如图甲所示,场地布置为白色底,引导线为黑线,机器人沿着黑线前进,当红外线发射接收管处在黑线位置时,发出的红外线大部分被黑色吸收,机器人腹部装有五个红外线发射接收管分别用$ L_1、L_2、ZZ、R_1、R_2 $来表示($ L_1 $为左边第一个;$ L_2 $为左边第二个、ZZ为中间、$ R_1 $为右边第一个、$ R_2 $为右边第二个,本题中依次就是按上述顺序)。当红外线发射接收管接收到地面反射的红外线较强时输出电信号为1,几乎没有接收到地面反射的红外线时输出电信号为0。
任务二:设计湿度检测系统,如图乙为设计的湿度系统原理图,控制电路电源电压$ U=6\ \mathrm{V} $,电磁铁线圈电阻为$ 10\ \Omega $,$ R $为湿敏电阻,其阻值随湿度的变化如图丙。电磁继电器在电流大于20 mA时,衔铁被吸合;在电流小于12 mA时,衔铁被释放。(湿度计的电阻不计)
【交流评价】表格是任务二的部分评价指标,根据评价表对活动进行评价。
(1)关于自动浇花机器人的实践活动,下列说法正确的是 (
C
)A.人眼可看到机器人发出的红外线
B.引导线越黑越容易反射红外线
C.图乙中湿度计可能是由电流表改装的
D.图乙中通电线圈的上端是N极
(2)红外线发射接收管发出红外线照射到白色地面上发生
漫
反射;当机器人腹部的五个红外发射接收管输出的电信号依次为11011,机器人可能沿着引导线前进
(填“前进”“右转”或“左转”)。(3)根据以上信息,要想实现土壤干燥时浇水,土壤潮湿到一定程度时切断水泵电路,停止浇水,图乙中接头A、B应连接触点
C、D
,使用该浇花机器人后土壤湿度最低值为15
%。(4)根据评价表中的指标对任务二进行评价,你的评价等级为
合格
,进一步给出优化建议:在控制电路中加一个滑动变阻器
。(5)(装置改进)阳台处栽种了一些杜鹃花,需要较高的湿度才能更好生长,因此需提高湿度的最低值,若控制电路电源电压可调,并提供一个定值电阻,为了达到目的,请你写出两个可行的方案:
①
降低控制电路的电源电压
;②
在控制电路中串联一个定值电阻
。答案
1.(1)C
(2)漫；前进
(3)C、D；15
(4)合格；在控制电路中加一个滑动变阻器
(5)①降低控制电路的电源电压 ②在控制电路中串联一个定值电阻
【点拨】(3)湿敏电阻R随着湿度的增大而减小，故电磁继电器应在未吸合时(干燥)让水泵工作，在吸合后(土壤足够湿)切断水泵电路，所以接头A、B应连接触点C、D。当线圈电流为12 mA时，若土壤湿度继续下降湿敏电阻R阻值增大，则线圈电流＜12 mA，衔铁被释放，水泵开始工作；根据欧姆定律以及串联电路电阻关系可知，湿敏电阻的阻值$R_{湿}=\frac{U}{I}-R_{线圈}=\frac{6\ \mathrm{V}}{12× 10^{-3}\ \mathrm{A}}-10\ \Omega=490\ \Omega$，对应图丙中湿度为15%，这就是使用该机器人时土壤能保持的最低湿度。
(4)结合第(3)问和控制电路电路图可知，湿敏电阻的阻值范围不能调节，也就不能调整湿度范围，从表格可知，能控制，但不能调整范围即为合格。要进一步改进，就需要在控制电路中增设可调电阻部件，以便根据植物种类或环境需求对湿度范围进行调整。
(5)湿敏电阻R阻值随着湿度的增大而减小，要提高湿度的最低值，即衔铁被释放的电流不变，湿敏电阻R的阻值减小，故可以降低控制电路的电源电压，或者在控制电路中串联一个定值电阻。
(2)漫；前进
(3)C、D；15
(4)合格；在控制电路中加一个滑动变阻器
(5)①降低控制电路的电源电压 ②在控制电路中串联一个定值电阻
【点拨】(3)湿敏电阻R随着湿度的增大而减小，故电磁继电器应在未吸合时(干燥)让水泵工作，在吸合后(土壤足够湿)切断水泵电路，所以接头A、B应连接触点C、D。当线圈电流为12 mA时，若土壤湿度继续下降湿敏电阻R阻值增大，则线圈电流＜12 mA，衔铁被释放，水泵开始工作；根据欧姆定律以及串联电路电阻关系可知，湿敏电阻的阻值$R_{湿}=\frac{U}{I}-R_{线圈}=\frac{6\ \mathrm{V}}{12× 10^{-3}\ \mathrm{A}}-10\ \Omega=490\ \Omega$，对应图丙中湿度为15%，这就是使用该机器人时土壤能保持的最低湿度。
(4)结合第(3)问和控制电路电路图可知，湿敏电阻的阻值范围不能调节，也就不能调整湿度范围，从表格可知，能控制，但不能调整范围即为合格。要进一步改进，就需要在控制电路中增设可调电阻部件，以便根据植物种类或环境需求对湿度范围进行调整。
(5)湿敏电阻R阻值随着湿度的增大而减小，要提高湿度的最低值，即衔铁被释放的电流不变，湿敏电阻R的阻值减小，故可以降低控制电路的电源电压，或者在控制电路中串联一个定值电阻。
解析
【分析】
本题围绕自动浇花机器人的设计，结合光学、电磁学知识考查应用能力。解题时需逐一分析各问题：
1. 第(1)题：根据红外线特性、黑色对红外线的吸收、湿度计作用、安培定则判断选项正误；
2. 第(2)题：白色地面表面粗糙，判断反射类型；根据红外管信号（中间为0，其余为1），确定机器人沿黑线前进；
3. 第(3)题：结合湿敏电阻与湿度的关系，确定电磁继电器触点连接；利用欧姆定律计算湿敏电阻阻值，对应图丙得最低湿度；
4. 第(4)题：根据任务二功能（能控制但不能调整范围）确定评价等级，给出优化建议；
5. 第(5)题：要提高湿度最低值，需让衔铁释放时对应更小的湿敏电阻，据此设计方案。
【解析】
(1) 选项分析：
A：红外线是不可见光，人眼无法看到，错误；
B：黑色物体吸收大部分红外线，反射少，错误；
C：湿度计需检测控制电路电流，可由电流表改装，正确；
D：根据安培定则，线圈上端为S极，错误；故选C。
(2) 白色地面表面粗糙，红外线照射发生漫反射；五个红外管信号为11011，中间ZZ输出0（处于黑线，红外线被吸收），其余输出1（处于白色，反射强），说明机器人沿黑线前进。
(3) 湿敏电阻R随湿度增大而减小：土壤干燥时，R大，电流＜12mA，衔铁释放，水泵工作；土壤潮湿时，R小，电流＞20mA，衔铁吸合，切断水泵，故A、B连接触点C、D。
当衔铁释放时电流I=12mA，总电阻$R_{总}=\frac{U}{I}=\frac{6\ \mathrm{V}}{12×10^{-3}\ \mathrm{A}}=500\ \Omega$，湿敏电阻阻值$R_{湿}=R_{总}-R_{线圈}=500\ \Omega-10\ \Omega=490\ \Omega$，对应图丙湿度为15%，即土壤湿度最低值为15%。
(4) 任务二能控制水泵，但无法调整湿度范围，评价等级为合格；优化建议：在控制电路中加一个滑动变阻器，可调节电阻以调整湿度控制范围。
(5) 要提高湿度最低值，需让衔铁释放时对应更小的湿敏电阻，可行方案：
① 降低控制电路的电源电压；② 在控制电路中串联一个定值电阻。
【答案】
(1) C
(2) 漫；前进
(3) C、D；15
(4) 合格；在控制电路中加一个滑动变阻器
(5) ①降低控制电路的电源电压；②在控制电路中串联一个定值电阻
【知识点】
红外线应用、电磁继电器、欧姆定律
【点评】
本题将物理知识与实际工程应用结合，考查知识迁移和综合分析能力，需理解元件原理并结合题目条件推导，难度适中。
【难度系数】
0.5
本题围绕自动浇花机器人的设计，结合光学、电磁学知识考查应用能力。解题时需逐一分析各问题：
1. 第(1)题：根据红外线特性、黑色对红外线的吸收、湿度计作用、安培定则判断选项正误；
2. 第(2)题：白色地面表面粗糙，判断反射类型；根据红外管信号（中间为0，其余为1），确定机器人沿黑线前进；
3. 第(3)题：结合湿敏电阻与湿度的关系，确定电磁继电器触点连接；利用欧姆定律计算湿敏电阻阻值，对应图丙得最低湿度；
4. 第(4)题：根据任务二功能（能控制但不能调整范围）确定评价等级，给出优化建议；
5. 第(5)题：要提高湿度最低值，需让衔铁释放时对应更小的湿敏电阻，据此设计方案。
【解析】
(1) 选项分析：
A：红外线是不可见光，人眼无法看到，错误；
B：黑色物体吸收大部分红外线，反射少，错误；
C：湿度计需检测控制电路电流，可由电流表改装，正确；
D：根据安培定则，线圈上端为S极，错误；故选C。
(2) 白色地面表面粗糙，红外线照射发生漫反射；五个红外管信号为11011，中间ZZ输出0（处于黑线，红外线被吸收），其余输出1（处于白色，反射强），说明机器人沿黑线前进。
(3) 湿敏电阻R随湿度增大而减小：土壤干燥时，R大，电流＜12mA，衔铁释放，水泵工作；土壤潮湿时，R小，电流＞20mA，衔铁吸合，切断水泵，故A、B连接触点C、D。
当衔铁释放时电流I=12mA，总电阻$R_{总}=\frac{U}{I}=\frac{6\ \mathrm{V}}{12×10^{-3}\ \mathrm{A}}=500\ \Omega$，湿敏电阻阻值$R_{湿}=R_{总}-R_{线圈}=500\ \Omega-10\ \Omega=490\ \Omega$，对应图丙湿度为15%，即土壤湿度最低值为15%。
(4) 任务二能控制水泵，但无法调整湿度范围，评价等级为合格；优化建议：在控制电路中加一个滑动变阻器，可调节电阻以调整湿度控制范围。
(5) 要提高湿度最低值，需让衔铁释放时对应更小的湿敏电阻，可行方案：
① 降低控制电路的电源电压；② 在控制电路中串联一个定值电阻。
【答案】
(1) C
(2) 漫；前进
(3) C、D；15
(4) 合格；在控制电路中加一个滑动变阻器
(5) ①降低控制电路的电源电压；②在控制电路中串联一个定值电阻
【知识点】
红外线应用、电磁继电器、欧姆定律
【点评】
本题将物理知识与实际工程应用结合，考查知识迁移和综合分析能力，需理解元件原理并结合题目条件推导，难度适中。
【难度系数】
0.5
