Question

1．李明同学在家里只用温度计和秒表通过实验探究“烧水过程中能量转化效率”的问题时，选用了如图所示的电水壶．其额定电压为220V，额定功率为P₀，容积为V₀．
（1）请你帮李明完成实验步骤．
a．观察电水壶铭牌额定功率P₀（W），容积V₀（m³）；
b．电水壶中盛满水，用温度计测出水的初温t_l（℃）；
c．关闭家中其它用电器，将此水壶单独接人电路中，用秒表计时，记录用时t（s）和水的末温t₂（℃）
d．计算出水吸收的热量为Q=cρv₀（t₂-t₁）；消耗的总电能为W=P₀t，电水壶烧水过程中能量转化效率的数学表达式η=$\frac{cρ{V}_{0}（{t}_{2}-{t}_{1}）}{{P}_{0}t}$（水的密度为ρ）．
（2）根据测量数据及表达式，指出有哪些因素影响电水壶烧水过程中能量转化效率．①水的体积（质量）；②水的温度差；③加热时间；④电水壶的功率．．

Answer 1

分析 （1）实验过程中需要测量加热时间和水的温度，需要的测量工具：秒表、温度计；
知道容积V₀，利用密度公式ρ=$\frac{m}{V}$求出水的质量，用温度计测量水的初温t₁和末温t₂，再利用吸热公式Q=cm（t₂-t₁）求出水吸收的热量；
知道电热水壶的电功率P₀，测出加热时间t，利用W=Pt求消耗的电能；
再利用效率公式求解；据此设计步骤并求解；
（2）由于水的体积（是否装满）、水的温度、加热时间、电功率（所加电压不一定等于额定电压，实际功率不一定等于额定功率）的数值可能不准确，影响能量转化效率．

解答 解：（1）b．测量温度的工具是温度计，所以电水壶中盛满水，用温度计测出水的初温t₁．
c．测量时间的工具是秒表，因此关闭家中其它用电器，将此水壶单独接入电路中，用秒表计时，记录用时t（s）和水的末温t（℃）．
d．由ρ=$\frac{m}{V}$得，
水的质量m=ρV₀，
水吸收的热量（有用）为：
Q=cm（t₂-t₁）=cρV₀（t₂-t₁）．
由P=$\frac{W}{t}$得，
消耗的总电能（总能量）为：
W=P₀t．
电水壶烧水过程中能量转化效率：
η=$\frac{Q}{W}$=$\frac{cρ{V}_{0}（{t}_{2}-{t}_{1}）}{{P}_{0}t}$．
（2）由η=$\frac{Q}{W}$=$\frac{cρ{V}_{0}（{t}_{2}-{t}_{1}）}{{P}_{0}t}$可知，能量转化效率影响因素：①水的体积（质量）；②水的温度差；③加热时间；④电水壶的电功率．
故答案为：（1）温度计；秒表；cρv₀（t₂-t₁）；P₀t；$\frac{cρ{V}_{0}（{t}_{2}-{t}_{1}）}{{P}_{0}t}$；
（2）①水的体积（质量）；②水的温度差；③加热时间；④电水壶的功率．

点评 本题是一道电学和热学的综合计算题，考查了质量、热量、电功和效率的计算，与生活相连，使学生觉得学了物理有用，同学们一定要掌握能量转化效率的实验步骤设计．