Question

13．圖甲為自動調溫電熨斗，圖乙為其簡化的電路圖，圖丙為溫控開關，溫控開關是由長和寬都相同的銅片和鐵片緊緊地鉚在一起做成的，受熱時，由于銅片膨脹得比鐵片大，雙金屬片便向鐵片那邊彎曲，溫度越高彎曲得越明顯．雙金屬片觸點A與彈性鋼片上的觸點B原來是相通的，通電后，指示燈L亮（R為限流電阻），發熱板發熱，使金屬底板溫度升高．當溫度升高到設定溫度時，A、B觸點分離，電路斷開，底板的溫度不在升高，隨著溫度的降低，雙金屬片逐漸恢復原狀，A、B觸點又重新接觸，電路再次接通，底板的溫度又開始升高，從而實現自動控溫的目的．

（1）該電熨斗的溫控開關是依據金屬熱脹冷縮物理知識制成的．
（2）若指示燈L采用“3V 0.03W”的小燈泡，那么限流電阻R多大才能使小燈泡正常工作？
（3）發熱板的額定功率為1000W，則發熱板的電阻多大？若要使金屬底板的溫度由20℃升高到220℃至少需要多長時間？（金屬底板的質量為1kg，比熱容為0.4×10³J/（kg℃），不計熱量損失）

Answer 1

分析 （1）根據題意可知，銅片和鐵片受熱膨脹不同，雙金屬片發生彎曲，據此進行解答；
（2）燈泡正常發光時的電壓和額定電壓相等，根據串聯電路的電流特點和P=UI求出電路中的電流，根據串聯電路的電壓特點求出限流電阻兩端的電壓，根據歐姆定律求出限流電阻R的阻值；
（3）根據P=$\frac{{U}^{2}}{R}$可得發熱板的電阻；知道金屬板的質量、初溫和末溫以及比熱容，根據Q_吸=cm（t-t₀）求出金屬板吸收的熱量，不計熱量損失，根據W=Q_吸=Pt求出加熱時間．

解答 解：（1）由題意可知，銅片和鐵片受熱膨脹不同，雙金屬片發生彎曲，達到溫控開關控制電路的目的，
故該電熨斗的溫控開關是依據金屬熱脹冷縮的物理知識制成的；
（2）燈泡正常發光時的電壓U_L=3V，
因串聯電路中各處的電流相等，
所以，由P=UI可得，小燈泡支路的電流：
I=$\frac{{P}_{L}}{{U}_{L}}$=$\frac{0.03W}{3V}$=0.01A，
因串聯電路中總電壓等于各分電壓之和，
所以，限流電阻兩端的電壓：
U_R=U-U_L=220V-3V=217V，
由I=$\frac{U}{R}$可得，限流電阻R的阻值：
R=$\frac{{U}_{R}}{I}$=$\frac{217V}{0.01A}$=2.17×10⁴Ω；
（3）由P=$\frac{{U}^{2}}{R}$可得，發熱板的電阻：
R_熱=$\frac{{U}^{2}}{{P}_{熱}}$=$\frac{（220V）^{2}}{1000W}$=48.4Ω，
金屬板吸收的熱量：
Q_吸=cm（t-t₀）
=0.4×10³J/（kg•℃）×1kg×（220℃-20℃）
=8×10⁴J，
不計熱量損失，由W=Q_吸=Pt可得，需要的加熱時間：
t′=$\frac{W}{{P}_{熱}}$=$\frac{{Q}_{吸}}{{P}_{熱}}$=$\frac{8×1{0}^{4}J}{1000W}$=80s．
答：（1）該電熨斗的溫控開關是依據金屬熱脹冷縮的物理知識制成的；
（2）若指示燈L采用“3V 0.03W”的小燈泡，那么限流電阻R的阻值為2.17×10⁴Ω才能使小燈泡正常工作；
（3）發熱板的電阻為48.4Ω，若要使金屬底板的溫度由20℃升高到220℃至少需要80s．

點評 本題考查了學生對電熨斗溫控開關的原理、串聯電路特點、歐姆定律、電功率公式、吸熱公式、電功公式等知識的掌握和應用，從題干中獲取有用的信息是關鍵，與實際生活緊密聯系，有意義！