Question

20．小星同学为自家电热水器设计了一个自动控制装置，如图1所示，R₁是一个热敏电阻（置于热水器内），其阻值随温度的变化关系如表Ⅰ所示，表Ⅱ是这个电热水器的铭牌．已知继电器线圈电阻R₂为12Ω，左边控制电路电源电压U0为6V不变，当继电器线圈R₂中的电流增大到某一数值时，继电器的衔铁被吸下，电热水器电路断开．

表Ⅰ

温度t/℃	10	20	30	40	50	60	70	80
电阻R1/Ω	60	42	30	20	15	10	8	6

表Ⅱ

最大水量	50kg	额定电压	220V
额定内压	0.75MPa	额定功率	2000W

（1）电磁继电器中的铁芯应用软铁（“软铁”或“钢棒”）．
（2）电热水器一般用三脚插头，如图2所示．三脚插头上标着E的脚比另外两个略长一点，这是因为当把三脚插头插在对应的插座上时，它首先把热水器的外壳与大地相连，保证用电安全．
（3）若到达设定的最高温度时，线圈R₂中电流为0.3A，衔铁被吸下，电热水管中电路被断开，则设定的最高温度是多少℃？
（4）当水温降到一定温度时，热水器会重新启动加热直到最高设定温度时停止．在没有热水放出的情况下，热水器重新启动加热一次的时间为15min，则重新加热前的水温t是多少？[热水器的效率是84%，C_水=4.2×10³J/（kg•℃），最高设定温度同第（3）问不变]．

Answer 1

分析 （1）电磁继电器的核心元件是电磁铁，当通电后，里边的电磁铁可以吸引衔铁，断电后可以释放衔铁，从而实现控制电路的通断．据此分析．
（2）金属外壳的用电器一定要接地，防止用电器漏电时发生触电事故；使用三孔插座可以防止发生触电事故．
（3）根据欧姆定律的变形公式求出控制电阻的总电阻，再根据串联电路电阻的特点求出R₁的阻值；
根据表一中的数据可知设定的最高温度；
（4）先根据表二中热水器的额定功率和W=Pt求出热水器加热15min消耗的电能，然后根据η=$\frac{{Q}_{吸}}{W}$求出水吸收的热量，由密度的变形公式求出水的质量，再利用Q_吸=cm△t求出水温度的变化量，从而求出重新加热前的水温．

解答 解：
（1）软铁和钢棒都是磁性材料，钢当被电磁铁吸引后被磁化能长期保存磁性，当电磁铁中没有电流释放衔铁时，用钢做的衔铁不能离开电磁铁；
软铁被电磁铁吸引后被磁化，但不能长期保存磁性，当电磁铁中没有电流释放衔铁时，用软铁做的衔铁立即离开电磁铁．
（2）家用电器的三脚插头中有两个脚接用电部分，另一个较长的脚跟用电器的金属外壳连接；与三脚插头对应的三孔插座中，除两个孔分别接火线和零线外，另一个孔是跟大地相连接．
（3）线圈R₂中电流为0.3A时，
由I=$\frac{U}{R}$可知，
R=$\frac{{U}_{0}}{I}$=$\frac{6V}{0.3A}$=20Ω，
R₁=R-R₂=20Ω-12Ω=8Ω；
根据表Ⅰ可知，此时对应的温度为70℃，因此设定的最高温度为70℃；
（4）根据表Ⅱ中的数据可知，电热水器的额定功率为2000W，则热水器工作15min消耗的电能：
W=Pt=2000W×15×60s=1.8×10⁶J；
由η=$\frac{{Q}_{吸}}{W}$可得，Q_吸=ηW=84%×1.8×10⁶J=1.512×10⁶J；
由Q_吸=cm△t可得，△t=$\frac{{Q}_{吸}}{cm}$=$\frac{1.512×1{0}^{6}J}{4.2×1{0}^{3}J/（kg•℃）×50kg}$=7.2℃；
故重新加热前的水温：t=70℃-7.2℃=62.8℃．
故答案为：（1）软铁；
（2）大地；
（3）设定的最高温度是70℃；
（4）重新加热前的水温是62.8℃．

点评 本装置的实质是一个电磁继电器，对电磁继电器工作原理的了解是解题的基础；本题考考查了欧姆定律、电功、效率、以及热量计算公式的综合应用，具有一定的综合性，有一定难度．