Question

9．某辦公用電水壺的銘牌如表所示，右圖是電水壺的電路圖，R為加熱器當(dāng)溫度較低時(shí)，溫控開關(guān)S處于閉合狀態(tài)，加熱器加熱．當(dāng)水沸騰后，會(huì)自動(dòng)斷開進(jìn)入保溫狀態(tài)．從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)溫度開關(guān)控制．若加熱器電阻的阻值不隨溫度變化而改變，且此時(shí)的大氣壓為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓．

額定電壓	220V
額定功率	4000W
水壺裝水質(zhì)量	15kg
頻率	50Hz

（1）溫控開關(guān)S處于什么狀態(tài)，加熱器是加熱的？其加熱電阻的阻值是多大？
（2）若電水壺產(chǎn)生的熱量全部被水吸收，現(xiàn)將一滿壺20℃的水在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下燒開需要多長時(shí)間？[水的比熱容C=4.2×10³J/（kg•℃）]．
（3）當(dāng)電水壺處于保溫狀態(tài)時(shí)，通過加熱器的電流是1A，此時(shí)電阻R₀的電功率是多少？

Answer 1

分析 （1）當(dāng)S閉合時(shí)電路為電阻R的簡(jiǎn)單電路，電路中的總電阻最小，由P=UI=$\frac{{U}^{2}}{R}$進(jìn)行判斷電壺的狀態(tài)，再根據(jù)P=UI=$\frac{{U}^{2}}{R}$求出其加熱電阻的阻值；
（2）1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的沸點(diǎn)為100℃，根據(jù)Q_吸=cm（t₂-t₁）求出水吸收的熱量，因電水壺產(chǎn)生的熱量全部被水吸收，根據(jù)P=$\frac{W}{t}$求出需要的加熱時(shí)間；
（3）當(dāng)S斷開時(shí)電阻R、R₀串聯(lián)，電路中的總電阻最大，根據(jù)P=UI=$\frac{{U}^{2}}{R}$進(jìn)行判斷電壺的狀態(tài)，根據(jù)歐姆定律求出電路中的總電阻，利用電阻的串聯(lián)求出R₀的阻值，利用P=I²R求出電阻R₀的功率．

解答 解：（1）當(dāng)S閉合時(shí)，電路為電阻R的簡(jiǎn)單電路，電阻較小，
由P=UI=$\frac{{U}^{2}}{R}$可知，此時(shí)電功率大，故此時(shí)電熱器處于加熱狀態(tài)；
加熱電阻的阻值：
R=$\frac{{U}^{2}}{P}$=$\frac{（220V）^{2}}{4000W}$=12.1Ω；
（2）1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的沸點(diǎn)為100℃，則水吸收的熱量：
Q_吸=cm（t₂-t₁）=4.2×10³J/（kg•℃）×15kg×（100℃-20℃）=5.04×10⁶J，
因電水壺產(chǎn)生的熱量全部被水吸收，
所以，消耗的電能W=Q_吸=5.04×10⁶J，
由P=$\frac{W}{t}$可得，需要的加熱時(shí)間：
t=$\frac{W}{P}$=$\frac{5.04×1{0}^{6}J}{4000W}$=1260s；
（3）當(dāng)S斷開時(shí)電阻R、R₀串聯(lián)，根據(jù)串聯(lián)電路的分壓特點(diǎn)可知，R兩端分得的電壓變小，此時(shí)電功率小，處于保溫狀態(tài)，
由I=$\frac{U}{R}$可得，串聯(lián)后的總電阻：
R_總=$\frac{U}{I}$=$\frac{220V}{1A}$=220Ω，
則保溫電阻：
R₀=R_總-R=220Ω-12.1Ω=207.9Ω，
電阻R₀的電功率：
P=I²R₀=（1A）²×207.9Ω=207.9W．
答：（1）溫控開關(guān)S閉合時(shí)，加熱器是加熱的；其加熱電阻的阻值是12.1Ω；
（2）若電水壺產(chǎn)生的熱量全部被水吸收，現(xiàn)將一滿壺20℃的水在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下燒開需要1260s；
（3）當(dāng)電水壺處于保溫狀態(tài)時(shí)，通過加熱器的電流是1A，此時(shí)電阻R₀的電功率是207.9W．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了電阻、電功、質(zhì)量、吸熱、效率等的計(jì)算，關(guān)鍵是公式及其變形式的靈活應(yīng)用，綜合性較強(qiáng)，具有一定的難度．