17.6 跨学科实践：从开关到人工智能（重难点专练）物理新教材北师大版（北京）九年级全一册

**基本信息** 以人工智能技术应用为主线，整合电磁、电路、力学等跨学科知识，通过真实情境题型培养物理观念与科学思维。 **专项设计** |模块|题量/典例|题型特征|知识逻辑| |----|-----------|----------|----------| |电磁现象应用|6题（如电动机原理、电磁铁）|情境化选择/填空|从通电导体在磁场中受力到智能设备核心元件，体现原理到应用的逻辑| |电路与智能控制|7题（如温控/湿控电路）|计算/实验设计|结合欧姆定律、电功公式，构建传感器-控制电路-执行器的智能系统模型| |力学与运动|4题（如压强、功计算）|综合计算|从基础力学公式到无人机、机器人运动分析，实现知识迁移应用|

17.6 跨学科实践：从开关到人工智能 题型01 跨学科实践：从开关到人工智能 ▌题型01 跨学科实践：从开关到人工智能 1．将干电池的碳棒敲成粉末装入火柴盒，将两根缝衣针插入火柴盒内的碳粒中，再用导线把电池、耳机连接起来（如图甲所示），对着火柴盒说话（或挤压火柴盒）就会感觉到耳机中的变化，这时，火柴盒相当于电话的________（选填“听筒”“话筒”“交换机”）；如图乙不带电的游客在科技馆触碰静电球的情景，如果静电球带的是负电，则触碰过程中电流方向为________（填“从球向人”或“从人向球”）。 【答案】 话筒 从人向球 【详解】[1]对着火柴盒说话（或挤压火柴盒）时，火柴盒内的碳粒会随着声音振动，导致电阻发生变化，进而产生变化的电流，这个过程是将声音信号转化为电信号，和电话的话筒的工作原理一致。 [2]静电球带负电，触碰时，负电荷（电子）会从静电球流向人体。物理学中规定正电荷定向移动的方向为电流方向，而负电荷定向移动的方向与电流方向相反，所以电流方向是从人向球。 2．2025年央视春晚，张艺谋导演的机器人舞蹈节目《秧BOT》成为了科技与艺术融合的焦点。这个节目通过人形机器人的精准表演，展示了中国在人工智能（AI）机器人运动控制、集群协同等领域的突破性进展。下列对其中所涉及到的知识分析正确的是（    ） A．手绢下落过程中只受重力 B．观众看到的手绢是红色的，是因为手绢反射红光 C．“舞者”内部电动机工作时将电能全部转化为机械能 D．机器人“舞者”旁边舞蹈演员的手臂是省力杠杆 【答案】B 【详解】A．手绢下落过程中受到重力和空气的阻力，故A错误； B．不透明物体的颜色由其反射的色光决定，因此观众看到的手绢是红色的，是因为手绢反射红光，故B正确； C．“舞者”内部电动机工作时主要将电能转化为机械能，部分电能转化为内能，故C错误； D．机器人“舞者”旁边舞蹈演员的手臂在运动时，臂膀为支点，动力臂小于阻力臂，根据杠杆平衡可知，动力大于阻力，为费力杠杆，故D错误。 故选B。 如图是某款AI（人工智能）音箱可以识别主人说出的“指令”，进而控制家庭物联网中的电器设备设施。请解答下题。 3．AI音箱能识别“指令”，说明声音可以传递__________，调节音量旋钮，可以改变AI音箱发出声音的__________。 4．而当别人说出同样的“指令”时，却无法调控相关设施，该功能主要依据声音的__________；主人发出的“指令”通过__________波传播给音箱。 5．音箱中的扬声器工作原理是磁场对通电导体有__________的作用。扬声器工作时是电能转化为__________能。 【答案】3． 信息 响度 4． 音色 声 5． 力 机械 【详解】3．AI音箱识别语音指令、接收指令控制电器，说明声音能传递信息。 音量旋钮改变声音大小，声音的大小是响度，所以改变响度。 4．每个人声带结构不同，音色不同，音箱靠音色区分主人和其他人。 人说话的指令是声波（机械波），依靠空气传播到音箱。 5．扬声器原理：通电导体在磁场中受力运动（磁场对通电导体有力的作用），带动纸盆振动发声。 工作时消耗电能，纸盆振动获得机械能，电能转化为机械能。 6．2025年7月，甘孜州泸定、丹巴两条无人机运邮航线正式运营，覆盖偏远乡村，实现邮件包裹“小时达”。运邮主要使用一款装有电池低温保护装置的纯电大型无人机，为模拟低温保护功能，同学们设计了图甲所示电路，当温度低至15℃时，工作电路中的加热元件开始工作；温度高于15℃，停止工作。控制电路中为定值电阻，热敏电阻有a、b两种类型可供选择，其阻值随温度变化关系如图乙所示。 (1)关于无人机，下列说法不合理的是________。 A．外壳选用轻质、坚固的材料 B．利用人工智能提升运输效率 C．机上指示灯用超导材料制成 D．寒冷环境会影响电池的使用 (2)要达成设计要求，应选择________类型的热敏电阻（选填“a”或“b”）。 (3)控制电路中电源电压恒为6V，当开始工作时，控制电路中的电流为0.12A，电磁铁线圈电阻忽略不计，则的阻值为________Ω。 (4)若无人机满载飞行时的额定功率为1000W，电池储存电能有80%可用于飞行做功，充满一次电可供无人机连续满载飞行80min，则电池充满电时储存的总电能为________。 【答案】(1)C (2)a (3)10 (4) 【详解】（1）A．无人机需要减轻自重同时保证结构强度，选用轻质坚固材料合理，故A不符合题意； B．人工智能可以优化航线、调度，从而提升运输效率，合理，故B不符合题意； C．机上指示灯利用电流的热效应发光，而超导材料电阻为0，无法发热发光，不合理，故C符合题意； D．题目提到需要低温保护，说明寒冷环境会影响电池使用，合理，故D不符合题意； 故选C。 （2）设计要求温度低至15℃时工作，温度高于15℃时停止。由电路可知，工作时电磁铁磁性较强，控制电路电流较大，说明温度降低时热敏电阻阻值需要变小。由图乙可知，温度降低时，a型热敏电阻阻值减小，符合要求，故选a。 （3） 当开始工作时，温度为15℃，由图乙得此时。根据欧姆定律，控制电路总电阻 串联电路总电阻等于各电阻之和，因此 （4）飞行时间 无人机满载飞行消耗的电能 由题意，，因此总电能 7．新学期第一天，深圳的中小学直接把马年春晚的科技大秀搬进校园！操场上，机器人挥毫泼墨写春意；校门口，机器狗作揖拜年送祝福；跑道上，“钢铁领跑员”带着孩子们迎风开跑。一场“硬核”又“软萌”的开学礼，让同学们零距离感受了一把什么叫“人工智能+机械艺术”的神奇碰撞。机器人内部电动机的工作原理是（　　） A．电磁感应现象 B．通电导体在磁场中受到力的作用 C．电流的磁效应 D．电流的热效应 【答案】B 【详解】A．电磁感应现象是发电机的工作原理，将机械能转化为电能，故A不符合题意； B．电动机的核心原理是通电导体在磁场中受到力的作用，通电线圈在磁场中受力转动，将电能转化为机械能，故B符合题意； C．电流的磁效应是指电流周围存在磁场，是电磁铁等装置的原理，不是电动机的工作原理，故C不符合题意； D．电流的热效应是指电能转化为导体内能的现象，是电热类用电器（如电饭锅、电热水器）的工作原理，故D不符合题意。 故选B。 8．人工智能逐渐融入我们的生活，一些餐厅、酒店等场所使用送餐机器人送餐，由机器人送餐最高可以替代3名专职传菜员的工作，发挥了极大的作用。如图所示型号为擎朗T9的机器人，空载时质量约为63 kg，单层托盘常规承重10 kg，整机总承重40 kg，四轮橡胶轮总接地面积。其行驶时受到的阻力是总重的0.1倍。为了送餐稳，不洒汤，一般将机器人的行进速度设置为。（g取10 N/kg）求： (1)机器人在行进过程中遇到玻璃等透明障碍物时，利用__________（填“超声波”或“次声波”）才能较好地感知到障碍物。 (2)机器人的动力装置主要是电动机，工作时把电能转化成__________。 (3)静止在地面上空载时，求机器人对地面的压强。 (4)某次机器人以最大承重状态沿平直路面匀速送餐过程中，用2 min将菜品送到指定餐桌，求本次送餐过程中机器人受到的牵引力所做的功。 【答案】(1)超声波 (2)机械能 (3) (4) 【详解】（1）超声波方向性好，遇到障碍物易发生反射，适合用于测距感知障碍物，因此机器人用超声波探测透明障碍物。    （2）电动机工作时通电转动，将电能转化为机械能。 （3）空载时机器人对地面的压力 机器人对地面的压强 （4）最大承重时机器人总重 因机器人匀速行驶 机器人所受牵引力做的功 9．如图所示，为集自动清扫技术和人工智能设计于一体的地面清扫机器人，它的工作原理是通过电动机转动使内部气体压强_______。而电动机转动利用的原理是_______。 【答案】 变小 通电导线在磁场中要受到力的作用 【详解】扫地机器人工作时，电动机转动使内部气体流速加快，压强减小，即扫地机器人内外存在压强差，所以能把杂物吸入吸尘器。 电动机是利用通电导线在磁场中受到力的作用而制造的。 10．在2025世界人工智能大会上，一条“机器人弄堂”吸引了众多关注。小卖部、小吃街、工厂工作台，机器人员工们正有条不紊地完成客户们的各种需求。从“实验室”加速奔向“应用场”、人工智能正大步“跃入”人们的日常生活。某款机器人净重47kg，电池容量为15Ah，充电电压为67.2V。 (1)机器人可通过安装在身上的电动机完成许多动作，电动机的工作原理是__________________；制造机器人芯片所使用的材料是____________（填“半导体”“超导体”或“导体”）材料。 (2)该款机器人充满电后具有的电能为多少？ (3)机器人匀速直线移动时，电动机工作电压为48V，功率为240W，则工作电流为多少？ (4)若机器人匀速直线移动时受到的平均阻力为60N，完成一段10m的路程，机器人克服阻力做的功为多少？ 【答案】(1) 通电导体在磁场中受到力的作用 半导体 (2) (3) (4) 【详解】（1）电动机的工作原理是通电线圈在磁场中受力转动；半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间，是制造芯片、电子元件的主要材料，因此机器人芯片用半导体材料。 （2）该款机器人充满电后具有的电能为 （3）机器人的工作电流为 （4）机器人克服阻力做的功 11．随着人工智能与机器人技术的发展，机器人可以与人开展象棋竞技。机器人下象棋时，利用“手指”内部的电磁铁便能将棋子“拿”起。制作棋子的材料可能是（　　） A．铝 B．木头 C．铁 D．铜 【答案】C 【详解】机器人的“手指”内部有电磁铁，那么制作象棋棋子的材料应该是铁磁性材料，包括铁、钴、镍、铝、木头、铜都不是磁性材料，故ABD不符合题意，C符合题意。 故选C。 12．某科技小组设计了一款智能注水装置，图甲是简化的工作原理示意图。控制电路的电源电压保持不变，R0为定值电阻，线圈和光控开关的电阻忽略不计。当杯子放置在托盘上时，托盘压缩弹簧与轻质绝缘连杆一起下降，带动R上的滑片P向下移动，同时光控开关自动闭合，控制电路接通，衔铁被吸下，注水电机稍后开始缓慢注水（忽略水流动带来的影响）。当线圈中的电流等于或小于40mA时，衔铁弹回，工作电路断开。取下杯子，光控开关自动断开。滑动变阻器R连入电路的阻值与托盘受到的压力F关系如图乙所示。杯中水无溢出，g取10N/kg。 (1)随着杯中水量的增加，R接入电路中的阻值变__________，电磁铁磁性变__________； (2)将质量为160g的空杯放入托盘静止且未注水时，控制电路中的电流为50mA；当注水停止时，R的阻值为50Ω。求：停止注水时杯中水的质量和控制电路的电源电压； (3)放上空杯后，若要增加最大注水量，请你提出一条可行的建议：__________。 【答案】(1) 大 弱 (2)240g，6V (3)增大控制电路的电源电压/减小的阻值 【详解】（1）随着杯中水量增加，杯子对托盘的压力增大，由图乙可知，压力越大时，滑动变阻器R接入电路的阻值越大。 控制电路中，电源电压不变，R0与R串联，R阻值变大则电路总电阻变大，根据可知，电路电流变小，电磁铁磁性变弱。 （2）空杯对托盘的压力为 由图乙可知，此时，控制电路电源电压 当注水停止时，R的阻值为50Ω，此时电路中电流为40mA，控制电路电源电压 控制电路电源电压不变，则 解得， 由图乙可知，当时，，杯子和水的总重力为 水的重力为 停止注水时杯中水的质量为 （3）要增加最大注水量，需要让衔铁弹回时托盘承受更大的压力，由图乙可知，压力越大，R越大，因此需要让电路在R更大时电流仍能达到40mA。控制电路中电流 则 要想在R更大时电流仍能达到40mA，可以在R0不变时，增大控制电路的电源电压，或控制电路电源电压不变时，减小的阻值。 13．阅读短文，回答问题 跨学科实践活动——设计智能窗户 【任务与要求】设计并制作一款智能窗户，当夜幕降临时，结合照度实现自动开、关窗的智能系统。 【设计与制作】如图甲为小组设计的模拟开、关窗的电路，由控制电路和工作电路组成。控制电路的电源电压为U=12 V，R为光敏电阻，安装在窗外，用于感知室外自然光，其阻值随光的照度的变化如下表所示，当线圈中的电流达到3 mA时，衔铁被吸合，直流电动机正转，窗打开，当线圈中的电流小于3 mA时，衔铁松开，直流电动机反转，窗关闭，电磁铁线圈电阻忽略不计。 照度L/Lx 50 100 200 400 500 600 1200 R阻值/kΩ 12.0 6.0 3.0 1.5 1.2 1.0 0.5 (1)请在工作电路的虚线方框中补充_______（画出电路元件的正确的连接）使电路按要求工作，电路中的光敏电阻是由_______材料制成的。 (2)智能窗户中有电动机、电磁铁这两个核心元件，下图工作原理与这两元件原理不同的是 A． B． C． D． (3)当室外光的照度达到_______ Lx时，窗刚好能打开，随着光的照度增加，电动机的转速将_______，为了在照度更亮点再开窗，在不改变衔铁被吸合或断开时线圈中的电流设置值的情况，可以采用_______的办法（一种合理的方法即可）。 【评价与改进】为了让智能窗户在下雨时能自动关窗，小组设计利用湿敏电阻R1串联在控制电路中，湿度H随雨量的增大而增大，湿度H达到一定程度时，达到自动同步控制电动机的效果。 (4)A、B两湿敏电阻随湿度H的变化如图乙，结合需求，应选择_______ ，为确保雨量达到某一值时马上关窗，R0=_______ kΩ。 (5)小明分析甲图发现当窗户一旦关上或开好，电动机仍然处在工作状态，为此最好在_______（选填“c”或“d”）处安装一个弹簧开关，当窗户关上或打开后就断开，下次再次启动正传或反转时再自动闭合。 【答案】(1) 半导体 (2)B (3) 150 不变 降低控制电路电源电压或者在控制电路串联一电阻 (4) A 4 (5)c 【详解】（1）题目要求衔铁吸合时电动机正转开窗，衔铁松开时电动机反转关窗，需要两次通过电动机的电流方向相反，因此虚线框内需接入一个极性与原工作电源相反的直流电源，保证电流方向反向。 光敏电阻是半导体材料，导电特性受光照影响。 （2）电动机原理是通电导体在磁场中受力运动，电磁铁原理是电流的磁效应，二者都离不开电流的磁效应或通电受力。选项B是电磁感应实验，原理是磁生电（电磁感应），和前两者原理不同，因此选B。 （3）窗刚好打开时，控制电流 根据欧姆定律得电路中电阻为 由表格数据可得，，因此 照度增加后，不影响工作电路，则电动机功率不变，转速不变。 要在照度更大（更亮）时才开窗，此时照度更大，更小，电流阈值不变，需要增大控制电路总电阻，方法可以是在控制电路中串联电阻，或减小控制电路电源电压。 （4）为了让智能窗户在下雨时能自动关窗，湿敏电阻阻值需随湿度H增大而增大，且在达到关窗条件以后能够让电阻急剧增大，才能使电流迅速减小，触发关窗。图乙中，曲线的阻值随湿度H增大而增大，且在湿度达到某一数值时阻值显著增大，因此应选择A。 控制电路电源电压U=12V，当控制电路电流小于I=3mA=0.003A时关窗，由欧姆定律得关窗时电路总电阻应大于 湿敏电阻 串联在电路中，由图乙可知，当湿度达到临界值时， （图中虚线所示），此后迅速增大，为保证此时总电阻大于 ，则湿敏电阻 ，此时湿敏电阻与光敏电阻串联，电路总电阻大于 ，会马上关窗，因此 。 （5）无论电动机正转还是反转，工作电流都必须经过处，因此在处安装弹簧开关，窗户到位后断开，电动机停止工作，避免持续工作耗电，因此选。 14．阅读短文，回答问题。 智能道闸系统 如图（a），小区大门口常见的一种智能道闸，它由车辆识别系统、闸机和地感系统三部分组成。道闸的横杆具有强度高、耐腐蚀和重量轻等特点。当内部车辆靠近道闸时，摄像头采集到车辆信息，与系统内已有信息进行比对，给闸机的电动机发出是否放行指令。若外来车辆，则需要由管理员通过遥控器控制是否放行。 车辆放行后，进入地感线圈区域时，路面下的压敏电阻阻值改变从而使电磁线圈磁性改变，向下吸引住铁柱，横杆不会落下，如图（b）所示，使车辆在进入地感线圈区域时，横杆仍然处于抬起状态。 为让横杆平稳起落，需给电动机进行减速，减速系统内部结构如图（c）所示。首先电动机通过转轴末端的单头蜗杆A（相当于齿数为1的齿轮）带动蜗轮B实现第一次减速；接着与蜗轮B同轴的齿轮C再带动与之啮合的齿轮D，实现第二次减速，横杆通过连杆实现起降，减速比是描述减速程度的重要参数，可用后一个齿轮的齿数与前一个齿轮齿数的比值来计算。该闸机的第一次减速比应该为蜗轮B的齿数与1的比值，若数值为n∶1，即表示蜗杆A转n转，蜗轮B转1转。整个系统的减速比可用每次减速比的乘积得到。 (1)内部车靠近道闸时，闸杆抬升，此时闸杆是______杠杆； (2)当车辆进入地感线圈区域时，路面下的压敏电阻阻值______，地感线圈磁性改变，可防止道闸杆下落； (3)智能道闸系统能识别本小区车牌，自动闭合“智能”开关使电动机通电抬起道闸；外部车辆需要门卫人员按动遥控开关使电动机通电抬起道闸。光线较暗时“光控”开关自动闭合，提供照明进行补光。以下简化电路图符合要求的是 ； A． B． C． D． (4)若某智能道闸电动机的转速为3000r/min，蜗轮B的齿数为200齿，齿轮C的齿数为50齿，齿轮D的齿数为80齿，则该道闸整个系统的减速比是______，道闸横杆起杆（从水平位置转动到竖直位置）的时间约为______s； (5)道闸起杆时间过长，请你针对此现象提出合理的改进措施：______。 【答案】(1)费力 (2)减小 (3)C (4) 320∶1 1.6 (5)减小减速比 【详解】（1）道闸的支点靠近动力端，横杆的重力是阻力，阻力臂长度大于动力臂长度，因此闸杆属于费力杠杆。 （2）车辆进入地感线圈后，需要电磁铁磁性增强才能吸住铁柱，磁性增强说明电路电流变大，电源电压不变，根据欧姆定律可知，压敏电阻的阻值变小。 （3）根据题意，和都可以独立控制电动机工作，因此两个开关需要并联后再与电动机串联；照明灯泡可以独立工作，因此灯泡与电动机并联，单独接在灯泡的支路中，故C符合题意，ABD不符合题意。 故选C。 （4）总减速比为两次减速比的乘积，第一次减速比为，第二次减速比为，总减速比为 电动机转速为，减速后输出轴转速为 横杆从水平转到竖直需要转，即转，因此时间 （5）起杆时间过长说明横杆转速过低，要缩短时间提高转速，可以减小整个系统的减速比，也可以换用转速更高的电动机。 15．今年在快递界，智能分拣机器人“小黄人”是真的火了一把。如图甲所示，该机器人工作时能通过识别地面上粘贴的二维码给自己定位和认路。该机器人设有自动充电功能，当检测到电池容量低至10%时会自动返回充电，为保证能够返回充电和有效续航，小华在机器人内部设计了电量提醒控制电路。请你将图乙设计的电路补充完整，要求：当电量充足时，开关S闭合，绿灯亮；电量不足时，开关S自动断开，红灯亮。 【答案】 【详解】根据题目要求，我们需要利用电磁继电器实现两个状态的切换：电量充足（开关S闭合）：电磁铁有磁性，衔铁被吸下，绿灯亮。电量不足（开关S断开）：电磁铁无磁性，衔铁被弹簧拉起，红灯亮。因此，红灯应接在衔铁抬起时的上触点电路，绿灯接在衔铁吸下时的下触点电路。 16．综合实践活动——设计蔬菜温室和智能浇水系统。 【任务与要求】为了在冬天能品尝到夏季的蔬菜，同学们为学校的劳动基地设计一个蔬菜温室。温室设计为玻璃顶的长方体结构，体积为80m3，要求温度控制在之间，同时还设计了智能浇水系统。 【设计与实施】 任务一：设计温控系统。温控系统原理如图甲，控制电路的电源电压为9V，电阻箱R0的阻值调为190Ω，热敏电阻R1的阻值随温度的变化图像如图乙。当控制电路中的电流达到30mA时，衔铁被吸下，当电流降低到25mA 时，衔铁被弹回。工作电路中电热丝R的电阻为22Ω，浴霸灯L标有“220V 275W”字样。 (1)关于设计蔬菜温室的实践活动，下列说法不正确的是 。 A．屋顶选用绿色玻璃不利于蔬菜生长 B．墙体选用隔热性能好的材料 C．浴霸灯L正常发光时电流为 1.25A D．图甲中通电线圈上端是S极 (2)电磁继电器是利用电流的____效应工作的，当控制电路中的热敏电阻的温度升高时，电磁铁的磁性将______（选填“增强”、“不变”、“减弱”）。 任务二：小明设计了一个智能浇水系统，如图丙所示。 【项目名称】“设计智能浇水控制系统” 【项目要求】当电路中土壤湿度，传感器RH两端的电压时，水泵启动给蔬菜浇水；当电路中土壤湿度，传感器RH两端的电压时，水泵关闭。 【器材选择】电源电压9V、电流表、定值电阻、土壤湿度传感器RH、开关、导线等。 【项目制作】 (3)根据要求设计了如图丁所示的电路，要满足上述项目要求，应选择图戊中的湿度传感器RH_______（选填“A”或“B”）。 (4)水泵自动启动时，土壤湿度传感器 RH的阻值大小为_______。 【项目评价】 (5)小明测试该系统时发现当电流表示数达到 0.2A 时，水泵没有工作，该系统是否符合项目要求？如果不符，如何改进？______________。 【答案】(1)D (2) 磁 增强 (3)A (4) (5)符合 【详解】（1）A.绿色植物的绿叶反射绿光，植物光合作用主要吸收绿光以外其它颜色的光，绿色玻璃会透过绿光、阻挡其他有效光，不利于蔬菜光合作用，故 A 正确，不符合题意； B.隔热性能好的墙体可减少冬季热量散失，维持温室温度，故 B 正确，不符合题意； C.浴霸灯正常发光电流，故 C 正确，不符合题意； D.根据安培定则（右手螺旋定则），电流从线圈上端流入，右手握住线圈，四指指向电流方向，大拇指指向上端（N 极），故 D 错误，符合题意。 故选D。 （2）[1][2]电磁继电器是利用电流的磁效应工作的，当控制电路中的热敏电阻的温度升高时，它的电阻将变小,通过它的电流变大,电磁铁的磁性将增强。 （3）结合图戊的U−H图像，由曲线A，当时，；当时，，符合项目要求，因此传感器RH​对应曲线A。 （4）当电路中土壤湿度，传感器RH两端的电压时，水泵启动给蔬菜浇水。RH​与串联，电压表测量RH​两端电压，电源电压。 当时，要求。若，则 电流 此时，水泵启动，RH的阻值 （5）当时，要求。若，则 此时电流 由此可见，当电压表示数大于等于5V，R0两端电压小于等于4V，电流表示数小于等于0.4A时，水泵停止工作。小明调试系统时发现，电流等于0.2A，水泵正处于停止工作状态。所以该系统符合项目要求。 17．电动机是一种应用广泛的机械，许多电器就是由它来驱动的，小明和小红对电动机进行了比较深入的研究。 (1)他们把一根导体棒放在磁铁的磁场中，导体棒两端通过光滑金属导轨与电源、开关相连（如图）。他们利用该装置研究电动机的基本原理，有以下认识，不正确的是________。 A．通电前，静止在导轨上的导体棒只受重力 B．通电后，导体棒向右运动，说明它受到了磁场的作用 C．只改变电流方向，导体棒运动方向发生改变 D．同时改变电流方向和磁场方向，导体棒运动方向不变 (2)他们制作了一个小电动机模型并接入电路（如图）。关于小电动机模型，下列说法不正确的是________。 A．两个支架选用硬金属杆 B．线圈下方放一块强磁体 C．绕制线圈的金属丝可以选用铁丝 D．绕制线圈的金属丝表面涂有绝缘材料 (3)他们观看了一场无人机表演，表演持续了15分钟。他们了解到，共有2000架相同的无人机参与表演，无人机由电动机驱动，每架无人机表演时的实际功率按45W计算，则参与此次表演的无人机消耗的总电能为________kW·h。 (4)他们发现小明家中的智能门锁可通过指纹识别或人脸识别自动开锁。查阅资料得知，两种方式都是通过开关控制电动机开锁。为方便研究，用开关表示指纹识别，开关表示人脸识别，请在图中将简化后的智能门锁控制电路补充完整。 【答案】(1)A (2)C (3)22.5 (4) 【详解】（1）通电前，静止在光滑导轨上的导体棒，受重力和导轨的支持力；通电后导体棒运动，说明通电导体在磁场中受到力的作用；通电导体的受力方向与电流方向、磁场方向有关：只改变其中一个因素，运动方向改变；同时改变两个因素，运动方向不变，故选A。 （2）支架需要支撑线圈同时导电，选用硬金属杆是合理的；电动机工作需要磁场，线圈下方放置强磁体提供磁场；铁丝电阻大，且铁丝会被磁体吸引，影响线圈持续转动，不能用来绕制电动机线圈；绕制线圈的金属丝表面需要涂绝缘漆，避免线圈层间短路，故选C。 （3）总功率 工作时间 总电能 （4）题意要求（指纹）和（人脸识别）都可以独立控制电动机，即任意一个开关闭合都能接通电路，因此两个开关为并联关系，连接方式： 将电动机的右端接线柱，分别连接的左端和的左端；再将的右端和的右端，共同连接到电阻右侧的干导线，据此作图。 2 / 2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $ 17.6 跨学科实践：从开关到人工智能 题型01 跨学科实践：从开关到人工智能 ▌题型01 跨学科实践：从开关到人工智能 1．将干电池的碳棒敲成粉末装入火柴盒，将两根缝衣针插入火柴盒内的碳粒中，再用导线把电池、耳机连接起来（如图甲所示），对着火柴盒说话（或挤压火柴盒）就会感觉到耳机中的变化，这时，火柴盒相当于电话的________（选填“听筒”“话筒”“交换机”）；如图乙不带电的游客在科技馆触碰静电球的情景，如果静电球带的是负电，则触碰过程中电流方向为________（填“从球向人”或“从人向球”）。 2．2025年央视春晚，张艺谋导演的机器人舞蹈节目《秧BOT》成为了科技与艺术融合的焦点。这个节目通过人形机器人的精准表演，展示了中国在人工智能（AI）机器人运动控制、集群协同等领域的突破性进展。下列对其中所涉及到的知识分析正确的是（    ） A．手绢下落过程中只受重力 B．观众看到的手绢是红色的，是因为手绢反射红光 C．“舞者”内部电动机工作时将电能全部转化为机械能 D．机器人“舞者”旁边舞蹈演员的手臂是省力杠杆 如图是某款AI（人工智能）音箱可以识别主人说出的“指令”，进而控制家庭物联网中的电器设备设施。请解答下题。 3．AI音箱能识别“指令”，说明声音可以传递__________，调节音量旋钮，可以改变AI音箱发出声音的__________。 4．而当别人说出同样的“指令”时，却无法调控相关设施，该功能主要依据声音的__________；主人发出的“指令”通过__________波传播给音箱。 5．音箱中的扬声器工作原理是磁场对通电导体有__________的作用。扬声器工作时是电能转化为__________能。 6．2025年7月，甘孜州泸定、丹巴两条无人机运邮航线正式运营，覆盖偏远乡村，实现邮件包裹“小时达”。运邮主要使用一款装有电池低温保护装置的纯电大型无人机，为模拟低温保护功能，同学们设计了图甲所示电路，当温度低至15℃时，工作电路中的加热元件开始工作；温度高于15℃，停止工作。控制电路中为定值电阻，热敏电阻有a、b两种类型可供选择，其阻值随温度变化关系如图乙所示。 (1)关于无人机，下列说法不合理的是________。 A．外壳选用轻质、坚固的材料 B．利用人工智能提升运输效率 C．机上指示灯用超导材料制成 D．寒冷环境会影响电池的使用 (2)要达成设计要求，应选择________类型的热敏电阻（选填“a”或“b”）。 (3)控制电路中电源电压恒为6V，当开始工作时，控制电路中的电流为0.12A，电磁铁线圈电阻忽略不计，则的阻值为________Ω。 (4)若无人机满载飞行时的额定功率为1000W，电池储存电能有80%可用于飞行做功，充满一次电可供无人机连续满载飞行80min，则电池充满电时储存的总电能为________。 7．新学期第一天，深圳的中小学直接把马年春晚的科技大秀搬进校园！操场上，机器人挥毫泼墨写春意；校门口，机器狗作揖拜年送祝福；跑道上，“钢铁领跑员”带着孩子们迎风开跑。一场“硬核”又“软萌”的开学礼，让同学们零距离感受了一把什么叫“人工智能+机械艺术”的神奇碰撞。机器人内部电动机的工作原理是（　　） A．电磁感应现象 B．通电导体在磁场中受到力的作用 C．电流的磁效应 D．电流的热效应 8．人工智能逐渐融入我们的生活，一些餐厅、酒店等场所使用送餐机器人送餐，由机器人送餐最高可以替代3名专职传菜员的工作，发挥了极大的作用。如图所示型号为擎朗T9的机器人，空载时质量约为63 kg，单层托盘常规承重10 kg，整机总承重40 kg，四轮橡胶轮总接地面积。其行驶时受到的阻力是总重的0.1倍。为了送餐稳，不洒汤，一般将机器人的行进速度设置为。（g取10 N/kg）求： (1)机器人在行进过程中遇到玻璃等透明障碍物时，利用__________（填“超声波”或“次声波”）才能较好地感知到障碍物。 (2)机器人的动力装置主要是电动机，工作时把电能转化成__________。 (3)静止在地面上空载时，求机器人对地面的压强。 (4)某次机器人以最大承重状态沿平直路面匀速送餐过程中，用2 min将菜品送到指定餐桌，求本次送餐过程中机器人受到的牵引力所做的功。 9．如图所示，为集自动清扫技术和人工智能设计于一体的地面清扫机器人，它的工作原理是通过电动机转动使内部气体压强_______。而电动机转动利用的原理是_______。 10．在2025世界人工智能大会上，一条“机器人弄堂”吸引了众多关注。小卖部、小吃街、工厂工作台，机器人员工们正有条不紊地完成客户们的各种需求。从“实验室”加速奔向“应用场”、人工智能正大步“跃入”人们的日常生活。某款机器人净重47kg，电池容量为15Ah，充电电压为67.2V。 (1)机器人可通过安装在身上的电动机完成许多动作，电动机的工作原理是__________________；制造机器人芯片所使用的材料是____________（填“半导体”“超导体”或“导体”）材料。 (2)该款机器人充满电后具有的电能为多少？ (3)机器人匀速直线移动时，电动机工作电压为48V，功率为240W，则工作电流为多少？ (4)若机器人匀速直线移动时受到的平均阻力为60N，完成一段10m的路程，机器人克服阻力做的功为多少？ 11．随着人工智能与机器人技术的发展，机器人可以与人开展象棋竞技。机器人下象棋时，利用“手指”内部的电磁铁便能将棋子“拿”起。制作棋子的材料可能是（　　） A．铝 B．木头 C．铁 D．铜 12．某科技小组设计了一款智能注水装置，图甲是简化的工作原理示意图。控制电路的电源电压保持不变，R0为定值电阻，线圈和光控开关的电阻忽略不计。当杯子放置在托盘上时，托盘压缩弹簧与轻质绝缘连杆一起下降，带动R上的滑片P向下移动，同时光控开关自动闭合，控制电路接通，衔铁被吸下，注水电机稍后开始缓慢注水（忽略水流动带来的影响）。当线圈中的电流等于或小于40mA时，衔铁弹回，工作电路断开。取下杯子，光控开关自动断开。滑动变阻器R连入电路的阻值与托盘受到的压力F关系如图乙所示。杯中水无溢出，g取10N/kg。 (1)随着杯中水量的增加，R接入电路中的阻值变__________，电磁铁磁性变__________； (2)将质量为160g的空杯放入托盘静止且未注水时，控制电路中的电流为50mA；当注水停止时，R的阻值为50Ω。求：停止注水时杯中水的质量和控制电路的电源电压； (3)放上空杯后，若要增加最大注水量，请你提出一条可行的建议：__________。 13．阅读短文，回答问题 跨学科实践活动——设计智能窗户 【任务与要求】设计并制作一款智能窗户，当夜幕降临时，结合照度实现自动开、关窗的智能系统。 【设计与制作】如图甲为小组设计的模拟开、关窗的电路，由控制电路和工作电路组成。控制电路的电源电压为U=12 V，R为光敏电阻，安装在窗外，用于感知室外自然光，其阻值随光的照度的变化如下表所示，当线圈中的电流达到3 mA时，衔铁被吸合，直流电动机正转，窗打开，当线圈中的电流小于3 mA时，衔铁松开，直流电动机反转，窗关闭，电磁铁线圈电阻忽略不计。 照度L/Lx 50 100 200 400 500 600 1200 R阻值/kΩ 12.0 6.0 3.0 1.5 1.2 1.0 0.5 (1)请在工作电路的虚线方框中补充_______（画出电路元件的正确的连接）使电路按要求工作，电路中的光敏电阻是由_______材料制成的。 (2)智能窗户中有电动机、电磁铁这两个核心元件，下图工作原理与这两元件原理不同的是 A． B． C． D． (3)当室外光的照度达到_______ Lx时，窗刚好能打开，随着光的照度增加，电动机的转速将_______，为了在照度更亮点再开窗，在不改变衔铁被吸合或断开时线圈中的电流设置值的情况，可以采用_______的办法（一种合理的方法即可）。 【评价与改进】为了让智能窗户在下雨时能自动关窗，小组设计利用湿敏电阻R1串联在控制电路中，湿度H随雨量的增大而增大，湿度H达到一定程度时，达到自动同步控制电动机的效果。 (4)A、B两湿敏电阻随湿度H的变化如图乙，结合需求，应选择_______ ，为确保雨量达到某一值时马上关窗，R0=_______ kΩ。 (5)小明分析甲图发现当窗户一旦关上或开好，电动机仍然处在工作状态，为此最好在_______（选填“c”或“d”）处安装一个弹簧开关，当窗户关上或打开后就断开，下次再次启动正传或反转时再自动闭合。 14．阅读短文，回答问题。 智能道闸系统 如图（a），小区大门口常见的一种智能道闸，它由车辆识别系统、闸机和地感系统三部分组成。道闸的横杆具有强度高、耐腐蚀和重量轻等特点。当内部车辆靠近道闸时，摄像头采集到车辆信息，与系统内已有信息进行比对，给闸机的电动机发出是否放行指令。若外来车辆，则需要由管理员通过遥控器控制是否放行。 车辆放行后，进入地感线圈区域时，路面下的压敏电阻阻值改变从而使电磁线圈磁性改变，向下吸引住铁柱，横杆不会落下，如图（b）所示，使车辆在进入地感线圈区域时，横杆仍然处于抬起状态。 为让横杆平稳起落，需给电动机进行减速，减速系统内部结构如图（c）所示。首先电动机通过转轴末端的单头蜗杆A（相当于齿数为1的齿轮）带动蜗轮B实现第一次减速；接着与蜗轮B同轴的齿轮C再带动与之啮合的齿轮D，实现第二次减速，横杆通过连杆实现起降，减速比是描述减速程度的重要参数，可用后一个齿轮的齿数与前一个齿轮齿数的比值来计算。该闸机的第一次减速比应该为蜗轮B的齿数与1的比值，若数值为n∶1，即表示蜗杆A转n转，蜗轮B转1转。整个系统的减速比可用每次减速比的乘积得到。 (1)内部车靠近道闸时，闸杆抬升，此时闸杆是______杠杆； (2)当车辆进入地感线圈区域时，路面下的压敏电阻阻值______，地感线圈磁性改变，可防止道闸杆下落； (3)智能道闸系统能识别本小区车牌，自动闭合“智能”开关使电动机通电抬起道闸；外部车辆需要门卫人员按动遥控开关使电动机通电抬起道闸。光线较暗时“光控”开关自动闭合，提供照明进行补光。以下简化电路图符合要求的是 ； A． B． C． D． (4)若某智能道闸电动机的转速为3000r/min，蜗轮B的齿数为200齿，齿轮C的齿数为50齿，齿轮D的齿数为80齿，则该道闸整个系统的减速比是______，道闸横杆起杆（从水平位置转动到竖直位置）的时间约为______s； (5)道闸起杆时间过长，请你针对此现象提出合理的改进措施：______。 15．今年在快递界，智能分拣机器人“小黄人”是真的火了一把。如图甲所示，该机器人工作时能通过识别地面上粘贴的二维码给自己定位和认路。该机器人设有自动充电功能，当检测到电池容量低至10%时会自动返回充电，为保证能够返回充电和有效续航，小华在机器人内部设计了电量提醒控制电路。请你将图乙设计的电路补充完整，要求：当电量充足时，开关S闭合，绿灯亮；电量不足时，开关S自动断开，红灯亮。 16．综合实践活动——设计蔬菜温室和智能浇水系统。 【任务与要求】为了在冬天能品尝到夏季的蔬菜，同学们为学校的劳动基地设计一个蔬菜温室。温室设计为玻璃顶的长方体结构，体积为80m3，要求温度控制在之间，同时还设计了智能浇水系统。 【设计与实施】 任务一：设计温控系统。温控系统原理如图甲，控制电路的电源电压为9V，电阻箱R0的阻值调为190Ω，热敏电阻R1的阻值随温度的变化图像如图乙。当控制电路中的电流达到30mA时，衔铁被吸下，当电流降低到25mA 时，衔铁被弹回。工作电路中电热丝R的电阻为22Ω，浴霸灯L标有“220V 275W”字样。 (1)关于设计蔬菜温室的实践活动，下列说法不正确的是 。 A．屋顶选用绿色玻璃不利于蔬菜生长 B．墙体选用隔热性能好的材料 C．浴霸灯L正常发光时电流为 1.25A D．图甲中通电线圈上端是S极 (2)电磁继电器是利用电流的____效应工作的，当控制电路中的热敏电阻的温度升高时，电磁铁的磁性将______（选填“增强”、“不变”、“减弱”）。 任务二：小明设计了一个智能浇水系统，如图丙所示。 【项目名称】“设计智能浇水控制系统” 【项目要求】当电路中土壤湿度，传感器RH两端的电压时，水泵启动给蔬菜浇水；当电路中土壤湿度，传感器RH两端的电压时，水泵关闭。 【器材选择】电源电压9V、电流表、定值电阻、土壤湿度传感器RH、开关、导线等。 【项目制作】 (3)根据要求设计了如图丁所示的电路，要满足上述项目要求，应选择图戊中的湿度传感器RH_______（选填“A”或“B”）。 (4)水泵自动启动时，土壤湿度传感器 RH的阻值大小为_______。 【项目评价】 (5)小明测试该系统时发现当电流表示数达到 0.2A 时，水泵没有工作，该系统是否符合项目要求？如果不符，如何改进？______________。 17．电动机是一种应用广泛的机械，许多电器就是由它来驱动的，小明和小红对电动机进行了比较深入的研究。 (1)他们把一根导体棒放在磁铁的磁场中，导体棒两端通过光滑金属导轨与电源、开关相连（如图）。他们利用该装置研究电动机的基本原理，有以下认识，不正确的是________。 A．通电前，静止在导轨上的导体棒只受重力 B．通电后，导体棒向右运动，说明它受到了磁场的作用 C．只改变电流方向，导体棒运动方向发生改变 D．同时改变电流方向和磁场方向，导体棒运动方向不变 (2)他们制作了一个小电动机模型并接入电路（如图）。关于小电动机模型，下列说法不正确的是________。 A．两个支架选用硬金属杆 B．线圈下方放一块强磁体 C．绕制线圈的金属丝可以选用铁丝 D．绕制线圈的金属丝表面涂有绝缘材料 (3)他们观看了一场无人机表演，表演持续了15分钟。他们了解到，共有2000架相同的无人机参与表演，无人机由电动机驱动，每架无人机表演时的实际功率按45W计算，则参与此次表演的无人机消耗的总电能为________kW·h。 (4)他们发现小明家中的智能门锁可通过指纹识别或人脸识别自动开锁。查阅资料得知，两种方式都是通过开关控制电动机开锁。为方便研究，用开关表示指纹识别，开关表示人脸识别，请在图中将简化后的智能门锁控制电路补充完整。 2 / 2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $