题目内容
6．科技小组的同学设计了如图甲所示的恒温水箱温控电路（设环境温度不高于20℃），由工作电路和控制电路组成．工作电路中的电热器上标有“220V 2000W”的字样；控制电路中热敏电阻Rt作为感应器探测水温，置于恒温水箱内，其阻值随温度变化的关系如图乙所示，R1为滑动变阻器．电磁铁产生的吸引力F与控制电路中电流I的关系如图丙所示，衔铁只有在不小于4.5N吸引力的作用下才能被吸下．闭合开关S（不计继电器线圈的电阻）．
（1）用电热器给恒温箱中50kg的水加热，正常工作20min时，水温由20℃升高到30℃，求电热器的加热效率？[水的比热容C=4.2×103 J/（kg℃）]
（2）调节滑动变阻器，使R1=250Ω，为了把温度控制在30℃左右，设定在水温低于30℃时自动加热，在水温达到30℃时停止加热，求控制电路中的电源电压U是多少？
（3）设控制电路中电源电压U不变，将水箱中水温由30℃的恒温调节到25℃的恒温，求此情况下滑动变阻器接入电路中的阻值是多少？
分析 （1）根据Q吸=cm△t求出水吸收的热量；根据Q=W=Pt求出1min电热丝R0产生的电热，利用η=$\frac{{Q}_{吸}}{W}$求电热器的加热效率；
（2）从乙图直接读出恒温箱中温度在25℃时热敏电阻的阻值，根据电阻的串联求出总阻值，衔铁受到3N的吸引力，由图象丙可知，控制电路中电流，根据欧姆定律求出电源电压；
（3）由图乙可知，把水温控制在20℃左右时Rt的阻值，由图丙可知衔铁在4.5N吸引力的作用下被吸下时控制电路中的电流，根据欧姆定律求出电路中的总电阻，利用电阻的串联求出此时滑动变阻器接入电路中的阻值．
解答 解：（1）水吸收的热量：
Q吸=cm△t=4.2×103J/（kg•℃）×50kg×（30℃-20℃）=2.1×106J；
电热器消耗的电能：
W=Pt=2000W×20×60s=2.4×106J，
电热器的加热效率：
η=$\frac{{Q}_{吸}}{W}$×100%=$\frac{2.1×1{0}^{6}J}{2.4×1{0}^{6}J}$×100%=87.5%；
（2）当水温达到30℃时停止加热，由图乙可知，热敏电阻的阻值为：Rt=50Ω，
则根据串联电路的总阻值等于各电阻之和可知：电路中的总电阻R总=Rt+R1=50Ω+250Ω=300Ω，
衔铁受到4.5N的吸引力，由图象丙可知，控制电路中电流为：I=150mA=0.15A，
由欧姆定律得：电源电压U=IR总=0.15A×300Ω=45V；
（3）将水箱中水温由30℃的恒温调节到25℃的恒温，即将启动的温度调低，
则由图乙知热敏电阻的阻值为Rt′=80Ω，
由I=$\frac{U}{{（R}_{t}^{′}+{R}_{1}^{′}）}$可知，此情况下滑动变阻器接入电路中的阻值：
R1′=$\frac{U}{I-{R}_{t}^{′}}$=$\frac{45V}{0.15A}$-80Ω=300Ω-80Ω=220Ω．
答：（1）电热器的加热效率为87.5%；
（2）控制电路中的电源电压U是45V；
（3）此情况下滑动变阻器接入电路中的阻值是220Ω．
点评 本题难度较大，既需要从电磁铁的性质上进行分析，还要对电磁继电器的原理进行分析．能从图乙得出相关信息、结合串联电路的特点和欧姆定律求解是本题的关键．
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