《2026年启东中学作业本九年级物理下册苏科版苏北专版》

3. 图甲是一款普通的豆芽机，项目小组想在图甲的豆芽机上增设智能控温和自动淋水功能，从而保证豆子发芽需要的适宜温度和湿度. 图乙是智能豆芽机的简化模型. 项目小组为此开展了以下的项目式学习.
【任务一】设计豆芽机的控温装置
控温装置的电路设计如图丙所示，可实现加热、保温两挡自动切换，$R_{x}$为热敏电阻(置于发育盒内)，$R$为电阻箱，$R_{1}$、$R_{2}$为电热丝，且$R_{1}=2R_{2}$，控制电路电流$≥5mA$时，衔铁被吸下.
(1)$R_{x}$主要是由半导体(选填“绝缘体”“半导体”或“超导体”)材料制作而成，当温度升高时，$R_{x}$的阻值变小(选填“变大”“变小”或“不变”).
(2) 如图丙所示，当开关$S_{0}$闭合时，电磁铁的上端为S极，当衔铁被吸下来时，工作电路处于保温(选填“加热”或“保温”)状态，加热功率与保温功率之比为$3:1$.
(3)$R_{x}$的阻值随温度$t$变化的图像如图丁所示，豆芽适宜在$23∼28^{\circ}C$环境下生长，豆芽机若要实现$25^{\circ}C$自动切换挡位，则控制电路中电阻箱$R$应该调为$ \dfrac{U}{0.005A} - 300 $$\Omega$；干电池用久了会导致发育盒内温度比设定的温度高(选填“高”或“低”)，除了更换电池外，还可以采取的措施是适当减小 $R$ 的阻值，使热敏电阻阻值不变，使得豆芽机恢复在$25^{\circ}C$自动切换挡位.
【任务二】设计豆芽机的喷淋装置
(4) 如图乙所示，水在水泵的作用下通过水管输送到淋水系统，多余的水通过沥水孔会回到水箱. 水泵喷口流量指水泵$1h$内喷出水的质量. 若水泵的流速为$0.5m/s$，喷口的横截面积为$0.4cm^{2}$，则水泵喷口流量为72$kg/h$.
(5) 实验小组结合豆芽的生长特性，采用淋水系统定时给豆芽淋水，而不是将豆芽浸泡在水中的原因是豆子发芽需要呼吸，采用淋水系统定时给豆芽淋水，更利于豆芽生长. 控制水泵间歇性喷水的电路设计如图戊所示，$A$、$B$两端输入如图己所示的周期性变化的电压$U_{AB}$，定值电阻$R_{0}=2\Omega$，$D$为电阻可以变化的电子元件. 当图戊中$U_{AB}＜5V$时，$D$两端的电压$U_{D}$等于电子元件$D$两端的实际输入电压；当$U_{AB}＞5V$时，电子元件$D$通过改变阻值控制$U_{D}$保持$5V$不变. 则当$t=3s$时，通过电路的电流为5$A$；若要使豆芽机在$1h$内喷水时间为$20min$，请你结合上面的电路设计，应设置$R_{0}$的电功率$P_{0}≥\_\_\_\_\_\_W$时，水泵启动喷水.

答案： 3.
(1) 半导体　变小　
(2) S　保温　$3:1$
(3) $ \dfrac{U}{0.005A} - 300 $　高　适当减小 $R$ 的阻值，使热敏电阻阻值不变
(4) 72
(5) 豆子发芽需要呼吸，采用淋水系统定时给豆芽淋水，更利于豆芽生长　5　12.5
　点拨:
(1) 热敏电阻 $R_{x}$ 由半导体材料制成;当温度较低时，工作电路处于加热状态，由 $P = \dfrac{U^{2}}{R}$ 可知，此时电阻较小，所以电路中只有电阻 $R_{2}$，所以此时衔铁没有被吸下。当衔铁被吸下时，电路中的总电阻 $R = R_{1} + R_{2}$，所以功率较小，为保温状态，所以温度高时电磁铁的磁性增强，控制电路中的电流变大，由 $I = \dfrac{U}{R}$ 可知，电路中的总电阻变小，热敏电阻的阻值变小。
(2) 图丙中闭合开关 $S_{0}$，根据电流方向，由安培定则可知电磁铁的上端为S极;衔铁被吸下以后，电阻 $R_{1}$、$R_{2}$ 串联，总电阻变大，电功率 $P = \dfrac{U^{2}}{R}$ 变小，为保温状态;因为 $R_{1} = 2R_{2}$，所以 $ \dfrac{P_{加热}}{P_{保温}} = \dfrac{\dfrac{U^{2}}{R_{2}}}{\dfrac{U^{2}}{R_{1} + R_{2}}} = \dfrac{2R_{2} + R_{2}}{R_{2}} = 3:1 $。
(3) 豆芽机若要实现在 $25^{\circ}C$ 自动切换挡位，此时控制电路中的电流 $I = 5mA = 0.005A$，热敏电阻 $R_{x} = 300\Omega$，电阻箱接入电路的电阻 $R = \dfrac{U}{I} - R_{x} = \dfrac{U}{0.005A} - 300\Omega$。干电池用久了电压下降，由 $R = \dfrac{U}{I}$ 可知，电路中的总电阻减小，电阻箱的阻值不变，对应的热敏电阻的阻值变小，会导致发育盒内温度比设定的温度高;为了使热敏电阻的阻值不变即恢复在 $25^{\circ}C$ 自动换挡，可以适当减小电阻箱的阻值。
(4) 1h流过的水的体积 $V = SL = Svt = 0.4 × 10^{-4}m^{2} × 0.5m/s × 3600s = 7.2 × 10^{-2}m^{3}$，水的质量 $m = \rho V = 1.0 × 10^{3}kg/m^{3} × 7.2 × 10^{-2}m^{3} = 72kg$。
(5) 豆芽需要呼吸，采用淋水系统定时给豆芽淋水，更有利于豆芽生长。当 $t$ 为3s时，$U_{AB} = 15V$，$U_{D} = 5V$，由 $R_{0}$ 两端的电压 $U_{0} = U_{AB} - U_{D} = 15V - 5V = 10V$，电路中的电流 $I = \dfrac{U_{0}}{R_{0}} = \dfrac{10V}{2\Omega} = 5A$。要使豆芽机在1h内喷水时间为20min，结合图像己，0～3s时，$U_{AB}$ 与 $t$ 成正比，所以当 $t = 2s$ 时，对应的电压 $U_{AB}' = \dfrac{2}{3} × 15V = 10V$，所以 $U_{AB}$ 为10～15V时，水泵喷水。此时 $R_{0}$ 两端的电压 $U_{0}' = U_{AB}' - U_{D} = 10V - 5V = 5V$，此时 $R_{0}$ 的功率 $P_{0} = \dfrac{U_{0}^{'2}}{R_{0}} = \dfrac{(5V)^{2}}{2\Omega} = 12.5W$，故应设置 $R_{0}$ 的电功率 $P_{0} ≥ 12.5W$。