【題目】如圖甲所示為一款能自動清掃地面的掃地機器人。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(yīng)器,通過發(fā)射、接收超聲波或紅外線來偵測障礙物。當(dāng)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:

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(fēng)量間的對應(yīng)關(guān)系如表二。真空度指主機內(nèi)部氣壓與外界的氣壓差。風(fēng)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:

1)機器人工作時,主機內(nèi)部的氣壓 (選填大于、小于等于)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0001s收到回波,則其發(fā)射超聲波時與障礙物間的距離為 cm。(設(shè)超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s

2)該機器人正常工作時的電流為 A;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 min。

3)由表二數(shù)據(jù)可知,當(dāng)風(fēng)量為0015m3/s時,若吸塵電機的輸入功率為25W,此時其效率為 %;上述風(fēng)量下,10min內(nèi)通過吸塵電機排出的空氣質(zhì)量為 kg。(取ρ空氣=13kg/m3

4)光敏電阻是制作灰塵傳感器的常用元件。圖乙為某機器人中吸塵電機內(nèi)部的光敏電阻的控制電路,兩端總電壓U0恒定(U0<12V),RG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(dāng)光敏電阻分別為18Ω時,電壓表的示數(shù)分別為45V225V,則R0= Ω。

5)若機器人1秒鐘消耗的電能中有40%用于克服摩擦力做功。已知集塵盒空置時,機器人勻速運動時受到的摩擦阻力為16N,查閱資料顯示摩擦力與壓力成正比,則達到最大集塵量時機器人運動的速度為多少?(寫出必要計算步驟)

【答案】1)小于;17;

225;48

333;117;

46;減小

506m/s

【解析】試題分析:(1)由流體壓強與流速的關(guān)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=s/t得,超聲波從發(fā)射到收到回波所通過的總路程:s=vt=340m/s×0001s=034m,

則其發(fā)射超聲波時與障礙物間的距離:s=s/2=034m/2=017m=17cm

2)由P=IU得,機器人正常工作時的電流I=P/U=30W/12V=25A

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=25A=2500mA

I=Q/t得,連續(xù)正常工作的最長時間t=Q/I=2000mAh/2500mA=08h=48min

3)由表格中數(shù)據(jù)可知,吸入功率等于真空度與風(fēng)量的乘積,當(dāng)風(fēng)量為0015m3/s時,吸塵電機吸入功率P吸入=550Pa×0015m3/s=825W,η電機=P吸入/P輸入×100%=825W/25W×100%=33%;

當(dāng)風(fēng)量為0015m3/s時,t=10min=600s,通過吸塵電機提出的空氣體積V=0015m3 /s×600s=9m3

ρ=m/V得,通過吸塵電機提出的空氣質(zhì)量m=ρ空氣V=13kg/m3×9m3=117kg

4)由電路圖可知,光敏電阻RG和定值電阻R0串聯(lián),電壓表測定值電阻R0兩端的電壓,當(dāng)光敏電阻RG1=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 =U1/R0=U0U1/RG1,即6V/R0=U06V/6Ω…①

當(dāng)光敏電阻RG2=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 =U2/R0=U0U2/RG2,即3V/R0=U03V/18Ω…②聯(lián)立①②可解得:U0 =12VR0 =6Ω;

設(shè)電壓表示數(shù)為U,此時電路中的電流I=U/R0=U0/R0+RG,即U=U0R0/R0+RG,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 +RG)成反比,則轉(zhuǎn)化后表盤上從左到右相鄰兩刻度線對應(yīng)阻值的減小量將減小。

5)吸塵器壓力等于其重力,由題知摩擦力與壓力成正比,f1/f2G1/G2m1/m2,達到最大最大集塵量時的摩擦力f2為:16N/f2=4kg/4kg+1kg,解得:f2=20N,消耗的電能中有40%用于克服摩擦力做功,所以40%P=Fv=f2v,機器人運動的速度:v=04P/f2=04×30W/20N=06m/s

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方法2:阿基米德原理法.測量過程與示數(shù)如圖乙所示,則銅塊排開水的體積為________mL,根據(jù)F=G=pgV可計算出浮力.

通過實驗可得出銅塊浸沒在水中下沉的條件是_______________(用字母表示)

第二小組探究蠟塊上浮的條件,要測量蠟塊浸沒時的浮力,你準(zhǔn)備選用第一組上述兩方法中的方法________(選填“1”或“2”),并簡要說明實驗操作中還應(yīng)采取的關(guān)鍵措施:

________________________________________________________

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