Question

3．如图为小颖同学设计的电热水器的原理图，该电热水器具有加热、保温功能．图甲中电磁继电器（线圈电阻不计）、热敏电阻R、保护电阻R₀、电压恒为6V的电源U₁、导线等组成控制电路．当电磁铁线圈中的电流I＜10mA时，继电器上方触点和触点c接通；当电磁铁线圈中的电流I≥10mA时，电磁铁的衔铁被吸下，继电器下方触点和触点a、b接通．热敏电阻中允许通过的最大电流I₀=15mA，其电阻R随温度变化的规律如图乙，热敏电阻和加热电路中的三只电阻R₁、R₂、R₃均置于储水箱中．已知R₁=33Ω、R₂=66Ω、R₃=154Ω、U₂=220V．

（1）通电螺线管上端为N极．
（2）衔铁被吸下时，加热电路的总电阻是多大？
（3）保温状态下，若加热电路的发热功率等于热水器散热功率的80%，求10分钟内热水器散失的热量；
（4）为使控制电路正常工作，保护电阻R₀的阻值至少为多大？若R₀为该值，衔铁刚好被吸下时储水箱中水温是多少？

Answer 1

分析 （1）知道电流的方向，由右手螺旋定则即可判断出通电螺线管的N、S极．
（2）由电路图知：衔铁被吸下，继电器下方触点和触点a、b接通时，加热电路中电阻最小，由P=$\frac{{U}^{2}}{R}$可知电路功率最大，处于加热状态；当继电器上方触点和触点c接通时，加热电路电阻较大，由P=$\frac{{U}^{2}}{R}$可知电路功率较小，电路处于保温状态；
衔铁被吸下时，电阻R₁与R₂并联，由并联电路特点可以求出加热电路的总电阻；
（3）先由功率公式P=$\frac{{U}^{2}}{R}$求出加热电路在保温状态下10min内电路产生的热量，然后根据题意求出热水器散失的热量；
（4）由热敏电阻的R-t图象找出热敏电阻的最小阻值，此时电路电流最大，根据电路的最大电流求出控制电路保护电阻R₀的最小阻值，这是控制电路正常工作的最小阻值；求出衔铁刚好被吸下时热敏电阻的阻值，然后由图象找出该阻值对应的温度，这就是储水箱中水的温度．

解答 解：（1）右手握住螺线管，四指指向电流方向，则大拇指所指的方向即通电螺线管的上端为N极，下端为S极．
（2）由电路图可知，衔铁被吸下时，R₁、R₂并联，则加热电路的总电阻R=$\frac{R1R2}{R1+R2}$=$\frac{33Ω×66Ω}{33Ω+66Ω}$=22Ω；
（3）由电路图可知，保温状态下，R₂、R₃串联，
10min加热电路产生的热量Q=$\frac{U2}{R2+R3}$t=$\frac{（220V）2}{66Ω+154Ω}$×600s=1.32×10⁵ J，
则10分钟内热水器散失的热量Q′=$\frac{Q}{η}$=$\frac{1.32×105J}{80%}$=1.65×10⁵ J　
（4）由图乙可知，热敏电阻的最小值是R=200Ω，当R最小，控制电路中的电流不超过最大值时，保护电阻R₀阻值最小，由I₀=$\frac{U1}{R+R0}$得，保护电阻R₀的最小值 R₀=$\frac{U1}{I0}$-R=$\frac{6V}{0.015A}$-200Ω=200Ω，
由题意可知，衔铁刚好被吸下时，电路电流I=10mA=0.01A，
此时电路总电阻R_总=$\frac{U1}{I}$=$\frac{6V}{0.01A}$=600Ω，此时热敏电阻R=R_总-R₀=600Ω-200Ω=400Ω，
由图乙可知，此时水温为60℃；
答：（1）N；
（2）衔铁被吸下时，加热电路的总电阻是22Ω；
（3）10分钟内热水器散失的热量是1.65×10⁵J；
（4）保护电阻R₀的阻值至少为200Ω，衔铁刚好被吸下时储水箱中水温是60℃．

点评 本题考查了求加热电路处于加热状态时的电阻、10分钟热水器散失的热量、保护电阻的最小阻值、水的温度等问题，考查的内容较多；分析清楚电路结构是本题正确解题的前提与关键；要正确解题，需要熟练掌握并联电路的特点、电功公式、欧姆定律等知识．