专题六机器人问题及其试题解析.docx

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专题六机器人问题及其试题解析

专题六机器人问题及其试题解析

一、机器人问题概述

主要考查无人机等智能化机械涉及到的物理知识，比如电磁波的应用、一次能源和二次能源的定义。

太阳能的利用，以及能量的转化基础问题。

考查电磁感应的应用。

还有考查了热值、电动机效率和功等知识在生活中的应用与计算，综合性较强得物理问题。

扫地机器人为载体，考查流体压强与流速的关系，考查学生应用物理知识解决实际问题的能力。

也有的题考查压强和功的大小计算、速度公式及其应用，综合性较强，难度适中，关键是知道无人机停放在水平地面时，对地面产生的压力和它们的重力相等。

二、机器人问题解析

【例题1】如图为四旋翼无人机，它的操控系统能够实现“一键起飞、一键返回、GPS悬停、规划航线自动飞行和自动跟踪”等功能，它的操控系统是靠　　传递信息的，无人机是利用电能来工作的，电能属于　　（选填“一次能源”或“二次能源”）。

答案：

电磁波；二次能源。

解析：

电磁波可以传递信息；可以从自然界直接获取的能源叫一次能源，不能从自然界直接获取必须通过一次能源的消耗才能得到的能源叫二次能源。

（1）四旋翼无人机，它的操控系统是靠电磁波传递信息的；

（2）我们生活中所使用的电能都是通过其他形式的能转化而来的，是二次能源。

【例题2】某智能百叶窗的叶片上贴有太阳能板，在光照时发电，给电动机供电以调节百叶窗的开合。

该过程中发生的能量转换是（　　）

A．电能→机械能→光能B．光能→机械能→电能

C．光能→电能→机械能D．机械能→电能→光能

答案：

C

解析：

太阳能电池板，把太阳能转化为电能，电动机把电能转化为机械能。

太阳能板，在光照时发电，即把太阳能转化为电能；电能供给电动机，转化为机械能，调节百叶窗的开合；故该过程中发生的能量转换是光能→电能→机械能。

【例题3】现在兴起的智能手机无线充电主要是运用电磁感应技术，当电源的电流通过充电底座中的送电金属线圈产生磁场，带有金属线圈的智能手机靠近该磁场就能接受磁场，产生电流，实现充电过程。

以下设备也是利用“磁生电”工作的是（）

A．电磁起重机B．扬声器

C．电烙铁D．动圈式话筒

答案：

D

解析：

本题考查电磁感应的应用。

电磁起重机是应用了电流的磁效应，A错误；扬声器是利用电流的磁效应工作的，B错误；电烙铁是利用电流的热效应工作的，C错误；动圈式话筒是利用电磁感应工作，把机械能转化为电能，D正确。

【例题4】智能机器人目前已能够为人类在很多方面进行高效率、高精准度的服务，在图书馆领域，机器人可以辅助或替代图书馆员的工作，提供整理图书、读者咨询等服务。

下表是某智能机器人图书馆员“小i”（如图甲）的部分参数：

参数名称

电源电压/V

最大负重/kg

提升重物最大高度/m

机器人车轮直径/cm

充电功率/W

数据

48

20

0.6

10

2.5

（1）读者与“小i”对话，咨询某图书所在的位置，“小i”需将读者的声音信号转化为电流信号，这与　　的原理相同。

（发电机/电动机）

（2）在阳光充足的时候，“小i”可以通过将　　能转化为电能的方式实现无线充电。

（3）“小i”也提供无线上网服务，它与互联网之间通过　　来传递信息。

（4）“小i”每天需将1944kg图书从借阅处分批搬回书架上，每次放回需将图书提高0.5m，则每天搬书上书架做功　　J，若充电效率为90%，则每天应至少充电　　h．（g取10N/kg）

（5）如图乙所示为“小i”承受图书重力的过载保护电路原理图，图中R为压力传感器，阻值随所受压力变化图象如图丙所示，图乙触发器的电阻忽略不计，通过的电流超过0.5A时就触发电动机停止工作，放弃执行搬书指令，以免“小i”受损伤。

因此为保护“小i”，电阻箱R0的阻值至少应为　　Ω；“小i”长时间工作后，为减轻其最大负重，应将电阻箱R0的阻值适当　　（增大/减小）。

（6）图书馆管理人员发现，“小i“经过斜面时，爬坡打滑爬不上去，在不改变智能机器人硬件情况下，为了让“小i”能爬坡，可采用的方法是①　　，②　　。

答案：

（1）发电机；

（2）太阳；（3）电磁波；（4）9720；1.2；（5）81；减小；

（6）①减小斜面的倾斜程度；②减小最大负重。

分析：

（1）电磁感应：

闭合电路的部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中就会产生电流，发电机就是根据这一原理制成的；

（2）太阳能电池板将太阳能转化为电能；

（3）电磁波的传播不需要介质，可以在真空中传播；

（4）根据W=Gh=mgh求出“小i”每天搬书上书架做功；然后根据η=

×100%求出充电存储的电能，再利用P=

求出充电时间；

（5）根据表格中的数据先求出“小i”承受的最大压力，由图丙可知此时压力传感器的阻值，利用欧姆定律和串联电路电阻的特点求出电阻箱R0接入的最小阻值；

由于电源电压和触发电动机停止工作的电流不变，即电路总电阻不变，要减轻“小i”的最大负重，即减小其承受的压力，从而知道压力传感器的阻值的变化，

利用串联电路电阻特点求出电阻箱R0的阻值的变化。

（6））“小i“经过斜面时，爬坡打滑爬不上去，说明所受的阻力较大，在不改变智能机器人硬件情况下，可以从减小阻力进行分析。

解答：

（1）读者与“小i”对话，声音使膜片振动，使线圈在磁场中做切割磁感线运动，产生感应电流，

即将读者的声音信号转化为电流信号，这是电磁感应现象，与发电机的原理相同。

（2）在阳光充足的时候，“小i”的太阳能电池板可以将太阳能转化为电能的方式实现无线充电。

（3）“小i”提供无线上网服务，则它与互联网之间通过电磁波来传递信息。

（4）“小i”每天搬书上书架做功：

W=Gh=mgh=1944kg×10N/kg×0.5m=9720J。

由η=

×100%得，充电存储的电能：

W电=

=

=10800J。

由P=

得，充电时间：

t=

=

=4320s=1.2h。

（5）“小i”承受的最大压力：

F=G=mg=20kg×10N/kg=200N，

由图丙可知，当F=200N时，压力传感器的阻值R=15Ω，

由I=

得，电路总电阻：

R总=

=

=96Ω，

电阻箱R0接入的最小阻值：

R0=R总﹣R=96Ω﹣15Ω=81Ω，

由于电源电压和触发电动机停止工作的电流不变，根据R总=

可知，电路总电阻不变，

要减轻“小i”的最大负重，即减小其承受的压力，则压力传感器的阻值将增大，

所以，应将电阻箱R0的阻值适当减小。

（6）“小i“经过斜面时，爬坡打滑爬不上去，说明所受的阻力较大，

在不改变智能机器人硬件情况下，即动力不变，为了让“小i”能爬坡，

需要减小阻力，可采用的方法是：

①减小斜面的倾斜程度；②减小最大负重。

三、机器人问题训练题（含答案与解析）

1.如图是一台火灾现场侦察、灭火的消防机器人，其质量为600kg，履带与地面接触的总面积为0.5m2，以3m/s的速度在水平地面沿直线匀速前进了1min，行驶时所受阻力为自重的0.02倍（g取10N/kg）。

求：

（1）消防机器人在1min内通过的路程。

（2）消防机器人静止在水平地面时，对地面产生的压强。

（3）在水平地面匀速直线前进的过程中，消防机器人牵引力做功的功率。

答案：

（1）消防机器人在1min内通过的路程为180m。

（2）消防机器人静止在水平地面时，对地面产生的压强为1.2×104pa；

（3）在水平地面匀速直线前进的过程中，消防机器人牵引力做功的功率为360W。

解析：

（1）由v=s/t得，消防机器人在1min内通过的路程：

s=vt=3m/s×60s=180m

（2）机器人对地面的压力：

F=G=mg=600kg×10N/kg=6000N

它对地面的压强：

p=F/S=6000N/0.5m2=1.2×104Pa

（3）因为机器人做匀速直线运动，

所以小车的牵引力：

F=f=0.02G=0.02×6000N=120N，

消防机器人牵引力做功的功率：

P=W/t=Fs/t=Fv=120N×3m/s=360W。

2.2018年平昌冬奥会上，智能机器人Troika可以用简单语言与人交流。

关于机器人的声音下列说法正确的是（　　）

A．机器人的声音不是由振动产生的

B．机器人的声音可以在真空中传播

C．机器人的声音与运动员的声音音色不同

D．机器人的声音在空气中的传播速度约为3×108m/s

答案：

C

解析：

（1）声音是由物体的振动产生的；

（2）声音的传播需要介质，我们能够听到声音是因为声音通过空气传播到我们耳朵里；

（3）音色是由发声体的材料和结构决定的，是判断发声体的依据；

（4）声音在不同的介质中的传播速度不同，在空气中的传播速度为340m/s。

A．声音是由物体振动产生的，一切发声的物体都在振动，故A错误；

B.声音的传播需要介质，真空不能传声，故B错误；

C.音色是由发声体的材料和结构决定的，不同的人或物体发出声音的音色不同，所以机器人的声音与运动员的声音音色不同，故C正确；

D.声音在空气中的传播速度约为340m/s，故D错误。

3.第十七届科技博览会中，幼教机器人和小朋友进行背唐诗比赛，其中说法正确的是（　　）

A．小朋友发出的声音不是由振动产生的

B．机器人的声音可以在真空中传播

C．声音在空气中传播速度是3×108m/s

D．可以根据音色区分机器人和小朋友的声音

答案：

D

解析：

A．朋友发出的声音，是由声带振动产生；故A错误；

B．声音的传播靠介质，真空不能传声；故B错误；

C．不同介质中声速不同，通常声音在空气中的传播速度为340m/s；故C错误；

D．人们根据音色区分机器人和小朋友的声音；故D正确。

4.2018年5月8日，全球首条智能轨道快运系统在湖南株洲试开通。

该智能轨道快运列车使用新能源的快充钛酸锂电池，电池容量为170kW•h，满载时电耗为4kW•h/km，最高运行速度为70km/h。

该电池充满电储存的能量与质量是　　kg的汽油完全燃烧放出的热量相同；若列车满载匀速行驶电动机驱动列车的效率为75%，则列车匀速行驶过程中受到的平均阻力大小是　　N．（汽油的热值是4.6×107J/kg）

答案：

13.3；1.08×104

解析：

根据W=Q=mq求出燃料的质量；已知电动机的效率和总功，可计算出所做的有用功；知道满载时电耗和电池总容量，可计算出列车行驶的路程；列车做匀速行驶，平均阻力f与牵引力相等，根据公式W=Fs可求平均阻力大小。

（1）电池储存的电能即汽油完全燃烧放出的热量为：

Q=W=170kW•h=170×3.6×106J=6.12×108J，

汽油的质量为：

m=

=

≈13.3kg；

（2）列车满载匀速行驶电动机所做的有用功：

W有用=75%W=75%×6.12×108J=4.59×108J，

可行驶的路程：

s=

=42.5km，

由f=F牵引力，W=Fs可知，

列车匀速行驶过程中受到的平均阻力大小为：

f=F牵引力=

=

=1.08×104N。

5.如图是一种可以进行航拍的“无人机”（多功能飞行器）。

“无人机”的照相机镜头相当

于　　透镜；人们可以通过遥控器上的天线发射的　　遥控“无人机”飞行。

答案：

凸；电磁波。

解析：

照相机是利用凸透镜成缩小实像的原理工作的；遥控无人机是利用电磁波传递信息的。

（1）照相机是利用凸透镜成缩小实像的原理工作的，因此“无人机”的照相机镜头相当于凸透镜；

（2）人们可以通过遥控器上的天线发射的电磁波来控制无人机的飞行高度和速度。

6.随着人们生活水平的提高，扫地机器人逐步进入普通家庭。

如图所示为某款扫地机器人，其工作时是通过电机转动使内部气流速度　　，压强　　，使杂物进入吸尘器达到清扫的目的。

答案：

大；小。

解析：

高速旋转的叶轮把空气排出风机，机器人内部的空气流速大，压强小，而外部的空气流速小，压强大，所以在外界大气压的作用下，外部空气和灰尘不断地压入进风机，扫地机器人就能“扫尘”了，使杂物进入吸尘器达到清扫的目的。

7.无人机以高分辨率高速摄像机、轻型光学相机、激光扫描仪等设备获取信息，广泛应用在航拍交通管理等领域，如图为某型号无人机，整机质量2千克，停放时与水平地面总接触面积0.002米2，摄像机拍摄速度11000帧/秒。

在轿车限速120千米/时的某高速公路上，交警利用该无人机进行道路通行情况实时监测。

（1）无人机停放在水平地面时，对地面产生的压强　　帕。

（2）无人机竖直向上爬升60米的过程中克服重力做了多少功？

（3）无人机在某轿车通行0.6米的过程中拍摄220帧，通过计算判断该轿车是否超速。

答案：

（1）1×104；

（2）无人机竖直向上爬升60米的过程中克服重力做了1200J的功；（3）计算可知该轿车不超速。

解析：

无人机停放在水平地面时，对地面产生的压力和它们的重力相等，根据p=

求出对地面产生的压强。

利用W=Gh计算无人机竖直向上爬升过程中克服重力做功；利用速度公式求出该轿车的速度，然后与最大限速相比较即可得到答案。

（1）无人机停放在水平地面时，对地面产生的压力：

F=G=mg=2kg×10N/kg=20N；

对地面产生的压强：

p=

=

=1×104Pa；

（2）无人机竖直向上爬升60米的过程中克服重力做功：

W=Gh=20N×60m=1200J；

（3）由题知，摄像机拍摄速度11000帧/秒，

已知某轿车通行0.6米的过程中拍摄220帧，则轿车运动的时间：

t=

=0.02s，

该轿车的速度：

v=

=

=30m/s，

因为30m/s=108km/h＜120km/h，

所以，该轿车不超速。

8.如图所示，擦窗机器人能凭借自身底部的真空泵和吸盘吸附在玻璃上“行走”，带动清洁布擦拭玻璃。

下列说法错误的是（　　）

A．当真空泵将吸盘内的空气抽出时，由于大气压的作用，擦窗机器人被压在玻璃上

B．擦窗机器人在玻璃上竖直向上匀速“行走”时，所受的摩擦力大于自身所受的重力

C．擦窗机器人接收的指令是通过电磁波传递的

D．擦窗机器人从窗户底端运动到顶端，其重力势能增大

答案：

B

解析：

A．当真空泵将吸盘内的空气抽出时，内部气体压强减小，它在外界大气压的作用下被告牢牢吸在竖直玻璃上，故A正确；

B．当擦窗机器人在玻璃上竖直向上匀速“行走”时，处于平衡状态，竖直方向受到的重力和摩擦力是一对平衡力，二力大小相等，故B错误；

C．电磁波可以传递信息，擦窗机器人接收的指令就是通过电磁波传递的，故C正确；

D．擦窗机器人从窗户底端运动到顶端时，质量不变，高度增加，其重力势能增大，故D正确。

9.学校机器人兴趣小组进行“精准吊装”实验，n块长短不一的长方体木块均平放在水平地面上，机器人将木块按长度从小到大依次吊装并对称叠放。

已知木块的密度相同，高度均为h=0.2m，密度均为ρ=0.5×103kg/m3，长度分别为a1、a2、a3、a4……an，且长度比为a1：

a2：

a3：

a4：

……：

an=1：

2：

3：

……：

n；g取10N/kg。

（1）求吊装前长度为a1的木块对试验平台的压强；

（2）若该平台能承受的最大压强为Pm=1.5×104Pa，平台上最多能叠放几块木块？

（3）若吊装某木块的过程中需要克服木块重力做功60J，吊装下一块需要做功120J，则在吊装下一块需要做功多少？

解答：

（1）设长度为

的木块底面积为

，则其重力为

；

；

（2）设叠放第i块木块后，对平台的压强达到最大，

解得i=5；

（3）吊装k号木块克服重力做功

；

同理

，解得k=3

吊装下一块（第5块）克服重力做功

：