Question

6．阅读短文，回答问题：
扫地机器人与吸尘器
扫地机器人是一款能自动清扫的智能家用电器，如图甲．
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；其防滑轮皮采用凸凹材质制成；底部安装有塑料刷，用于清扫吸附在地板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．电池容量指放电电流与放电总时间的乘积．
表一：

额定工作电压	12V	额定功率	30W	清扫100m2运行时间50min
电池容量	2500mAh	工作噪音	＜50dB

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	9		8.25	7.8

（1）机器人工作时，主机内部的气压小于（大于/小于/等于）大气压而产生吸力．若该机器人向障碍物垂直发射超声波，经过0.001s收到回波，则其发射超声波时与障碍物间的距离约为17cm．（设超声波在空气中的传播速度为340m/s）
（2）下列说法中错误的是C．
A．地面有静电时，轻小物体会吸附在地板上而不易清扫
B．采用凸凹材质的轮皮，可增大机器人与地面间的摩擦
C．当遇到玻璃门等透明障碍物时，使用红外线感应器效果较好
D．机器人工作时发出的声音不会对人的听力造成损伤
（3）该机器人正常工作时的电流为2.5A；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48min．
（4）由表二数据可知，当风量为0.017m³/s时，若其效率为34%，此时吸尘电机的输入功率为8.5W；上述风量下，10min内通过吸尘电机提出的空气质量为13.26kg．（取ρ_空气=1.3kg/m³）
（5）如图乙为某传统吸尘器，表三为该吸尘器的部分数据．分析题中信息，从物理角度谈一下扫地机器人与传统的吸尘器相比，有哪些优点？50dB＜75dB；噪音小环保、节能（写出两条）
表三：

额定工作电压	220V	额定功率	1400W
工作噪音	＜75dB	清扫100m2工作时间	10min

Answer 1

分析 （1）由流体压强与流速的关系：流速越大的位置压强越小；先根据s_总=vt算出总路程，利用s=$\frac{{s}_{总}}{2}$即可求出发射超声波时与障碍物间的距离；
（2）①静电现象，带电体具有吸引轻小物体的性质；
②增大摩擦的方法：增大压力和增大接触面的粗糙程度；
③声音的强弱等级用分贝来表示．0dB是人能听到的最微弱的声音；30-40dB是较为理想的安静环境；70dB会干扰生活、影响工作；长期生活在90dB以上的噪声环境中，听力会受到严重的影响；超过150dB的噪声环境，会使双耳完全失去听力；
④红外线的物理特性有：热作用强；穿透云雾的能力强；
（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；
（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=$\frac{{P}_{吸入}}{{P}_{输入}}$×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）从噪声和消耗电能的角度比较．

解答 解：（1）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．
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×0.001s=0.34m，
则其发射超声波时与障碍物间的距离：
s=$\frac{{s}_{总}}{2}$=$\frac{0.34m}{2}$=0.17m=17cm；
（2）A．地面有静电时，由于带电体具有吸引轻小物体的性质，所以轻小物体会吸附在地板上而不易清扫，故A正确；
B．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B正确；
C．当遇到玻璃门等透明或半透明障碍物时，其将直接穿过而不产生任何回波，这样扫地机器人就无法感应到前方有障碍物，于是也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C错误；
D．为了保护听力，应控制噪声不超过90dB，机器人工作时发出的声音小于50dB，所以不会对人的听力造成损伤，故D正确
故选C．
（3）由P=IU得，机器人正常工作时的电流：
I=$\frac{P}{U}$=$\frac{30W}{12V}$=2.5A，
充满电后的电池容量Q₁=2500mAh，下一次自动充电前的电池容量Q₂=ηQ₁=20%×2500mAh=500mAh，
消耗的电池容量Q=Q₁-Q₂=2500mAh-500mAh=2000mAh，
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=$\frac{Q}{I}$=$\frac{2000mAh}{2500mA}$=0.8h=48min；
（4）由表格中数据可知，吸入功率等于真空度与风量的乘积，
当风量为0.017m³/s时，吸尘电机吸入功率：
P_吸入=500Pa×0.017m³/s=8.5W，
当风量为0.017m³/s时，t=10min=600s，则通过吸尘电机提出的空气体积：
V=0.017m³/s×600s=10.2m³，
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/m³×10.2m³=13.26kg．
（5）由图可知，扫地机器人与传统的吸尘器相比50dB＜75dB，噪音小环保；
由P=$\frac{W}{t}$可得，
扫地机器人清扫100m²房间时消耗电能W₁=P₁t₁=30W×50×60s=9×10⁴J，
传统的吸尘器清扫100m²房间时消耗电能W₂=P₂t₂=1400W×10×60s=8.4×10⁵J，
因为9×10⁴J＜8.4×10⁵J，所以扫地机器人比传统的吸尘器节能．
故答案为：（1）小于；17；（2）C；（3）2.5； 48；（4）8.5；13.26；（5）50dB＜75 dB；噪音小环保；节能．

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、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．