Question

17．阅读短文，回答问题：
智能扫地机器人
智能扫地机器人是一款能自动清扫的家用电器，如图甲所示．机器人通过电动机旋转产生高速气流，将灰尘、杂物吸入集尘盒；其防滑轮上印有凸凹不平的花纹；底部安装有塑料刷，用于清扫吸附在地板或地毯上的灰尘及轻小物体；前端装有感应器，通过发射、接收超声波或红外线来侦测障碍物．当剩余电量减为电池容量的20%时，机器人会主动寻找充电器充电．表一为某扫地机器人的部分参数．

表一：

额定工作电压	12V	额定工作电流	2.5A
电池容量	2000mAh	行进速度	0.3m/s

机器人中吸尘电机的吸入功率是衡量其优劣的重要参数，测得某吸尘电机的吸入功率与真空度、风量间的对应关系如表二．真空度指主机内部气压与外界的气压差；风量指单位时间内通过吸尘电机排出的空气体积；吸尘电机吸入功率与输入功率的比值叫做效率．
表二：

真空度/Pa	400	450	500	550	600
风量/（m3/s）	0.025	0.02	0.017	0.015	0.013
吸入功率/W	10.00	9.00	8.50	8.25	7.80

（1）下列说法中错误的是B．
A．机器人通过电动机旋转产生高速气流，以此来减小主机内部的气压而产生吸力．
B．在地毯纤维内掺杂金属丝，会增加机器人对灰尘及轻小物体的清扫难度
C．防滑轮上印有凸凹不平的花纹，是为了增大机器人与地面间的摩擦
D．当遇到黑色真皮沙发等深色障碍物时，使用超声波感应器效果较好
（2）若该机器人向障碍物垂直发射超声波，经过0.02s收到回波，则其发射超声波时与障碍物间的距离约为3.4m（此空答案保留一位小数）；在这段时间内机器人向前行进的距离为0.006m．
（3）电池容量“2000mAh”是指当工作电流为2000mA，能持续供电1h．该机器人充满电后至下一次自动充电前能够连续正常工作的最长时间为0.64h．假设返回充电过程中受到的阻力为36N，剩余电池容量支持正常工作所能做的电功的20%用于克服阻力做功，为确保机器人能顺利返回充电，需要充电时离充电座最远为96 m．
（4）由表二数据可知，当风量为0.015m³/s时，若吸尘电机的输入功率为25W，此时其效率为33%；上述风量下，5min内通过吸尘电机提出的空气质量为5.85kg．（ρ_空气=1.3kg/m³）
（5）光敏电阻是制作灰尘传感器的常用元件，图乙为光敏电阻的控制电路，电源电压U恒定，空气中的灰尘浓度会影响空气透光程度，R_G为光敏电阻，其阻值随光照射的强弱而改变．“光强”表示光的强弱程度的物理量，照射光越强，光强越大，光强符号用E表示，国际单位为坎德拉（cd）．实验测得光敏电阻的阻值R_G与光强E间的关系如图丙所示，R₀为定值电阻．当光照强度为4.5cd时，电流表的读数为0.5A；当光照强度为1.5cd时，电流表的读数为0.3A，则R₀=8Ω．为监测空气的透光程度，现将电流表表盘的电流I刻度值转化为对应的总阻值（R₀+R_G ），则转化后表盘上从左到右相邻两刻度线对应总阻值的差值将逐渐减小，原因是电流表的示数I与总阻值（R₀+R_G）成反比．

Answer 1

分析 （1）①流速越大的位置压强越小；
②静电现象，带电体具有吸引轻小物体的性质；
③增大摩擦的方法：增大压力和增大接触面的粗糙程度；
④黑色物质和深色物质对光的吸收能力强；
（2）根据速度公式求解与障碍物之间的距离以及机器人行进的距离；
（3）知道额定电压和额定功率，根据I=$\frac{P}{U}$求出机器人正常工作时的电流；
先算出消耗的电池容量Q=Q₁-Q₂，再利用t=$\frac{Q}{I}$求出连续正常工作的最长时间；
由题机器人返回消耗电能W_返=20%W_剩，返回克服阻力做功W=Fs=fs，由此计算需要充电时离充电座最远距离；
（4）由表格中数据可知，吸入功率与真空度和风量的关系，求出吸尘电机吸入功率，再根据η_电机=$\frac{{P}_{吸入}}{{P}_{输出}}$×100%求出吸尘电机的效率；
根据风量和时间求出空气的体积，再利用m=ρ空气V通过吸尘电机提出的空气质量；
（5）根据串联电路电流相等的特点，利用欧姆定律I=$\frac{U}{R}$列出光敏电阻在不同阻值的电流方程，联立即可解得定值电阻的阻值；
利用欧姆定律I=$\frac{U}{R}$找出电压表示数与对应的总阻值（R₀+R_G）的关系，即可判断表盘上从左到右相邻两刻度线对应阻值的减小量．

解答 解：（1）A．由流体压强与流速的关系：流速越大的位置压强越小，可知机器人在工作时，由于转动的扇叶处气体的流速大，压强小，在外界大气压的作用下将灰尘、杂物吸入集尘盒，故主机内部的气压小于大气压而产生吸力，故A正确；
B、地面有静电时，由于带电体具有吸引轻小物体的性质，在地毯纤维内掺杂金属丝，会减小机器人对灰尘及轻小物体的清扫难度，故B错误；
C．采用凸凹材质的轮皮，是为了在压力一定时，增大接触面的粗糙程度来增大机器人与地面间的摩擦，故C正确；
D．当遇到黑色真皮沙发等深色障碍物时，由于黑色物体吸收所有色光，若使用红外线，于是就无法做出减速的工作了，所以不能使用红外线感应器，使用超声波感应器较好，故D正确．
故选：B．
（2）由v=$\frac{s}{t}$得，超声波从发射到收到回波所通过的总路程：s_总=vt=340m/s×0.02s=6.8m，
则其发射超声波时与障碍物间的距离：s=$\frac{{s}_{总}}{2}$=$\frac{6.8m}{2}$=3.4m；
这段时间机器人向前前进的距离为：s′=v′t=0.3m/s×0.02s=0.006m；
（3）机器人正常工作时的电流I=2.5A．
充满电后的电池容量Q₁=2000mAh，下一次自动充电前的电池容量Q₂=ηQ₁=20%×2000mAh=400mAh，
消耗的电池容量Q=Q₁-Q₂=2000mAh-400mAh=1600mAh，
正常工作时的电流I=2.5A=2500mA，
由I=$\frac{Q}{t}$得，连续正常工作的最长时间t=$\frac{Q}{I}$=$\frac{1600mAh}{2500mA}$=0.64h．
电池充满电后储存的动能为W=UIt=12V×2A×3600s=86400J；
克服摩擦力做到功为：W_返=20%W_剩=20%×20%×86400J=3456J，
因为W=Fs=fs，所以为确保机器人能顺利返回充电，需要充电时离充电座最远为：
s=$\frac{{W}_{返}}{f}$=$\frac{3456J}{36N}$=96m．
（4）由表格中数据可知，当风量为0.015m³/s时，吸尘电机吸入功率P_吸入=8.25W，
η_电机=$\frac{{P}_{吸入}}{{P}_{输出}}$×100%=$\frac{8.25W}{25W}$×100%=33%．
当风量为0.015m³/s时，t=5min=300s，
通过吸尘电机提出的空气体积V=0.015m³/s×300s=4.5m³，
由ρ=$\frac{m}{V}$得，通过吸尘电机提出的空气质量m=ρ空气V=1.3kg/m³×4.5m³=5.85kg．
（5）由电路图可知，光敏电阻R_G和定值电阻R₀串联，电压表测定值电阻R₀两端的电压，
当光照强度为4.5cd时，光敏电阻R_G1=4Ω，电压表的示数U₁=0.5A×4Ω=2V，
则定值电阻两端的电压U=U₀-U₁，
此时电路中的电流I₁=$\frac{{U}_{0}-{U}_{1}}{{R}_{0}}$，即 0.5A=$\frac{{U}_{0}-2V}{{R}_{0}}$…①
当光照强度为1.5cd时，光敏电阻R_G2=12Ω时，电压表的示数U₁=0.3A×12Ω=3.6V，
光敏电阻两端的电压U′=U₀-U₂，
此时电路中的电流I₂=$\frac{{U}_{0}-{U}_{2}}{{R}_{0}}$，即 0.3A=$\frac{{U}_{0}-3.6V}{{R}_{0}}$…②
联立①②可解得：U₀=6V，R₀=8Ω．
设电压表示数为U，此时电路中的电流I=$\frac{U}{{R}_{0}}$=$\frac{{U}_{0}}{{R}_{0}+{R}_{G}}$，
即U=$\frac{{U}_{0}{R}_{0}}{{R}_{0}+{R}_{G}}$，电源电压U₀恒定，R₀为定值电阻，
由此可见，电流表的示数I与总阻值（R₀+R_G）成反比，则转化后表盘上从左到右相邻两刻度线对应阻值的减小量将减小．
故答案为：（1）B；（2）3.4；0.006；（3）0.64；96；（4）33%；5.85；（5）8；电流表的示数I与总阻值（R₀+R_G）成反比．

点评 本题涉及到力学、声学、光学、电学等物理知识较多，跨度大，综合性很强，有一定的难度，需要仔细分析判断．学生要熟练掌握电功率公式、电流的定义式、欧姆定律、效率公式的综合应用，理解电池容量的含义和效率公式的应用是关键．