Question

19．如图1甲是一台常用的电热饮水机，乙图是它的电路原理图，如表是它的铭牌数据，电路的工作原理是S是温控开关，R₁是加热电阻，R₂是定值电阻．当温控开关S接a时，R₁接入电路，电路处于加热状态；当达到一定温度时，温控开关S自动从a切换到b，电路处于保温状态，（R₁R₂阻值不随温度变化而变化）

水桶容量	20L
热水箱容量	1L
额定电压	220V
额定加热功率	440W
额定保温功率	44W

（1）根据上述要求，请在图乙中将电路图连接完整．
（2）在加热状态下，饮水机正常工作时电路中的电流是多大？
（3）保温功率是指整个电路消耗的功率．饮水机正常工作时，在保温状态下，R₁的功率是多少？
（4）饮水机正常工作时，将热水箱中的水从10℃加热到98℃，需要20min．求此加热过程中，饮水机的加热效率？
（5）在用电高峰期，让饮水机单独工作加热水，观察标有“3000R/kW•h”字样的电能表在6min内转盘转了120转，则此时饮水机的实际加热功率为400W，实际电压＜额定电压（选填“＞”“=”“＜”），原因是由于用电高峰期输送导线两端有较大的电压．
（6）如图2所示是电热饮水机的三角插头和插座．插头上标有字母E的导线要和饮水机的金属外壳相连；饮水机正常工作时插头上标有字母L、N的两脚间的电压是220V．

Answer 1

分析 （1）当温控开关S接a时，R₁接入电路，电路处于加热状态；当达到一定温度时，温控开关S自动从a切换到b，处于保温状态，根据公式P=$\frac{{U}^{2}}{R}$可知，保温状态下电阻应变大，所以由电路图知，可以将电阻R₁与R₂串联接入电路，据此连接电路即可；
（2）由饮水机铭牌可知，饮水机的额定电压是220V，加热功率是440W，由电功率的变形公式I=$\frac{P}{U}$可以求出饮水机在加热状态下正常工作时的电流．
（3）由于电路处于加热状态R₁接入电路，根据公式R=$\frac{U}{I}$求出R₁的阻值，根据公式P=UI求出处于保温状态的电流，利用P=I²R求保温状态下，R₁的功率；
（4）由饮水机铭牌知，热水箱的容积是1L，由m=ρV求出水的质量，然后由吸热公式Q=cm△t求出水所吸收的热量；
由公式W=Pt求出电热水器做的功，最后求出饮水的加热效率．
（5）已知消耗1kw•h的电能，电能表的转盘转动3000转，可求转120转消耗的电能，根据公式P=$\frac{W}{t}$可求该电器消耗的实际功率．与额定功率比较即可，根据公式P=$\frac{{U}^{2}}{R}$可判断功率变化的原因；
（6）三孔插座中，上面的接地线，左面的接零线，右面的接火线，简称“上地、左零、右火”，零线和火线间的电压是220V．

解答 解：（1）当温控开关S接a时，R₁接入电路，电路处于加热状态；当达到一定温度时，温控开关S自动从a切换到b，处于保温状态，根据公式P=$\frac{{U}^{2}}{R}$可知，保温状态下电阻应变大，所以由电路图知，可以将电阻R₁与R₂串联接入电路，如图：

（2）加热时，由P=UI得：
饮水机的工作电流I_加热=$\frac{{P}_{加热}}{U}$=$\frac{440W}{220V}$=2A；
（3）由I=$\frac{U}{R}$得：
在加热状态下，R₁=$\frac{U}{{I}_{加热}}$=$\frac{220V}{2A}$=110Ω；
由P=UI得：在保温状态下，饮水机的工作电流I_保温=$\frac{{P}_{保温}}{U}$=$\frac{44W}{220V}$=0.2A；
则在保温状态下，R₁的功率P₁=（I_保温）²R₁═（0.2A）²×110Ω=4.4W；
（4）水的质量m=ρV=1.0×10³kg/m³×1×10^-3m³=1kg，
水吸收的热量Q_吸=cm△t=4.2×10³J/（kg•℃）×1kg×（98℃-20℃）=3.276×10⁵J；   
加热时，饮水机做功W_电=P_加t=440W×20×60s=5.28×10⁵J，
饮水机的效率η=$\frac{{Q}_{吸}}{{W}_{电}}$×100%=$\frac{3.276×1{0}^{5}J}{5.28×1{0}^{5}J}$×100%≈62%；
（5）转120转消耗的电能W=$\frac{1kW•h}{3000R}$×120R=0.04kW•h，
此时消耗的实际功率P_实=$\frac{W}{t}$=$\frac{0.04kW•h}{6×\frac{1}{60}h}$=0.4kw=400W＜440W，
所以P_实＜P_额，由于电阻丝的阻值不变，根据P=$\frac{{U}^{2}}{R}$可知：实际电压小于额定电压，原因是由于用电高峰期输送导线两端有较大的电压；
（6）三脚插头的E号脚与用电器外壳相连，当三脚插头插入三孔插座时，三脚插头的E号脚与三孔插座的E号相连，使金属外壳与大地相连通，若金属外壳的用电器外壳带电，电流会通过地线导入大地，防止造成触电事故的发生；L、N脚分别连接电路的零线和火线，两脚间的电压就是火线和零线之间的电压，即220V．
答：（1）电路图如上图．
（2）在加热状态下，饮水机正常工作时电路中的电流是2A；
（3）饮水机正常工作时，在保温状态下，R₁的功率是4.4W；
（4）此加热过程中，饮水机的加热效率为62%；
（5）440；＜；由于用电高峰期输送导线两端有较大的电压．
（6）金属外壳；220．

点评 本题是一道关于电热饮水机的计算题，虽然难度不大，但问题较多，解题时要细心、认真，根据饮水机铭牌找出需要的数据，选择恰当的物理学公式解题．