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10.教室的溫熱飲水機,其銘牌如下表所示.如圖是飲水機簡化電路的示意圖,S是用感溫材料制造的溫控開關,R1是定值電阻,R2是供加熱的電阻絲.[水的比熱容c=4.2×103 J/(kg•℃),水的密度ρ=1×103kg/m3,取g=10N/kg]
額定電壓220V環境溫度10℃-38℃
額定功率50Hz環境濕度≤90%
加熱功率550W耗電量0.8kW•h/24h
制熱水能力≥90℃.5L/h防觸電類Ⅰ類
(1)電熱絲是利用電流的熱效應工作的.分析電路圖可知,當溫控開關S閉合(選填“閉合”或“斷開”)時,飲水機處于加熱狀態.
(2)在加熱狀態下,飲水機正常工作時電路中的電流有多大?電阻絲R2的阻值有多大?
(3)正常工作時,該飲水機將熱水罐中0.6kg、18℃的水加熱至93℃,用時6min.請用這些數據及題目中的信息,計算該飲水機加熱狀態時的效率.
(4)如果要使電阻絲R2在保溫狀態時的功率是加熱狀態時的四分之一,定值電阻R1的阻值應是多大?

分析 (1)當電流通過電阻時,電流做功而消耗電能,產生了熱量,這種現象叫做電流的熱效應,飲水機所處的狀態根據開關S接通或斷開時連入的電阻即可判斷;
(2)飲水機正常加熱時的功率和額定功率相等,根據P=UI求出此時電路中的電流;根據I=$\frac{U}{R}$可求得電阻絲R2的阻值;
(3)知道熱水罐內水的質量、比熱容和溫度的變化,根據Q=cm(t-t0)求出水吸收的熱量;又知道加熱時間,根據W=Pt消耗的電能,利用η=$\frac{{Q}_{吸}}{W}$×100%求出飲水機加熱狀態時的效率;
(4)飲水機處于保溫狀態已知加熱功率,可求得保溫功率,根據P=$\frac{{U}^{2}}{R}$可求得R2兩端電壓,由電路圖可知,開關S斷開時,R1、R2串聯,電路中的電阻最大,根據串聯分壓的特點可求得R1兩端電壓,然后可知定值電阻R1的阻值.

解答 解:(1)電熱絲是利用電流的熱效應工作的,
由電路圖可知,當溫控開關S時,只有供加熱的電阻絲R2接入電路,飲水機則處于加熱狀態,當S斷開時R1與R2是串聯連接,電路中電阻阻值最大,功率最小,即處于保溫狀態;
(2)由P=UI可得,
飲水機正常工作時電路中的電流I=$\frac{{P}_{熱}}{U}$=$\frac{550W}{220V}$=2.5A,
由I=$\frac{U}{R}$可得,R2=$\frac{U}{I}$=$\frac{220V}{2.5A}$=88Ω,
(3)Q=cm(t-t0)=4.2×103 J/(kg•℃)×0.6kg×(93-18)℃=1.89×105J,
由P=$\frac{W}{t}$可得,消耗的電能W=Pt′=550W×6×60s=1.98×105J,
加熱狀態時的效率η=$\frac{{Q}_{吸}}{W}$×100%=$\frac{1.89×1{0}^{5}J}{1.98×1{0}^{5}J}$=95.5%,
(4)P保溫=$\frac{{P}_{熱}}{4}$=$\frac{550W}{4}$=137.5W,
由P=UI,I=$\frac{U}{R}$可得,P=$\frac{{U}^{2}}{R}$,
則R2兩端電壓U2=$\sqrt{{P}_{熱}{R}_{2}}$=$\sqrt{137.5W×88Ω}$=110V,
由電路圖可知,開關S斷開時,R1、R2串聯,
則R1兩端電壓U1=U-U2=220V-110V=110V,
因R1、R2串聯,所以電流相同,U1=U2=110V,
則R1=R2=88Ω,
答:(1)熱;閉合.
(2)在加熱狀態下,飲水機正常工作時電路中的電流有2.5A;電阻絲R2的阻值有88Ω;
(3)該飲水機加熱狀態時的效率為95.5%.
(4)定值電阻R1的阻值應是88Ω.

點評 這道題目綜合性比較強,將以前所學的內能知識與電功的計算公式結合起來,考查學生對相關知識點的應用能力,計算時注意單位的統一和書寫.

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