Question

16．如圖是一種煲湯用的電熱鍋工作原理圖，其中溫控器的作用是在標(biāo)準(zhǔn)氣壓下每當(dāng)水沸騰后就能自動(dòng)斷開，直到溫度降到80℃時(shí)又重新閉合．電熱鍋的部分參數(shù)如表所示． 

容積	4.5L
額定電壓	220V
額定功率	80W
加熱功率	500W

（1）三腳插頭上標(biāo)著E的導(dǎo)線和電飯鍋的金屬外殼相連，插座上相應(yīng)的導(dǎo)線和大地相連．
（2）調(diào)節(jié)切換開關(guān)可以使電熱鍋處于“關(guān)、高溫、自動(dòng)、保溫”四種工作狀態(tài)，則原理圖中的切換開關(guān)連接觸點(diǎn)“3”時(shí)為保溫檔．小明發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電熱鍋處于保溫檔正常工作時(shí)，不論加熱多長(zhǎng)時(shí)間，都不能使鍋內(nèi)的湯水沸騰，原因可能是電流產(chǎn)生的熱量小于散失的熱量．
（3）該電熱鍋開關(guān)連接到觸點(diǎn)“2”正常工作時(shí)，使4L、25℃的水燒開，用了50分鐘，當(dāng)水沸騰后溫控器就自動(dòng)切斷電路．問：等到溫控開關(guān)再次閉合后，需要多少時(shí)間水才能沸騰？（整個(gè)過程中水的質(zhì)量、電熱鍋的效率均保持不變）

Answer 1

分析 （1）電飯鍋使用三腳插頭，E導(dǎo)線和電飯鍋的金屬外殼相連，插入插座時(shí)，與大地連接，當(dāng)用電器漏電時(shí)，人接觸用電器，人被接地導(dǎo)線短路，即使接觸了漏電的用電器也不會(huì)發(fā)生觸電事故；
（2）由電功率公式P=$\frac{{U}^{2}}{R}$可知，電壓不變的條件下，電阻越大，電功率越小，電功率小的時(shí)候處于保溫狀態(tài)，據(jù)此判斷哪一個(gè)為保溫檔；當(dāng)電熱鍋處于保溫檔正常工作時(shí)，此時(shí)的電功率太小，產(chǎn)生的熱量小于散失的熱量，不能使水溫升高，不能使水沸騰．
（3）電熱鍋處于高溫檔正常工作（加熱）時(shí)，知道加熱功率和加熱時(shí)間，利用W=Pt求消耗的電能（總能量）；又知道水的質(zhì)量、水溫度的升高值，利用吸熱公式求水吸收的熱量（有用能量）；再利用效率公式求電熱鍋的效率．然后求得等到溫控開關(guān)再次閉合后，水沸騰吸收的熱量，根據(jù)電熱鍋的效率不變，求得此時(shí)消耗的電能，然后利用P=$\frac{W}{t}$可得時(shí)間．

解答 解：（1）E導(dǎo)線和電飯鍋的金屬外殼相連，插入插座時(shí)，與大地連接；
（2）由圖提供的信息知道R₁＞R₂，根據(jù)電功率公式P=$\frac{{U}^{2}}{R}$可知，當(dāng)U不變時(shí)，電阻越小，功率越大，所以當(dāng)開關(guān)連接觸點(diǎn)3時(shí)，消耗的電功率最小，處于保溫狀態(tài)；
當(dāng)電熱鍋處于保溫檔正常工作時(shí)，不論加熱多長(zhǎng)時(shí)間，都不能使鍋內(nèi)的湯水沸騰，原因是電流產(chǎn)生的熱量小于散失的熱量，不能使水溫升高．
（2）該電熱鍋開關(guān)連接到觸點(diǎn)“2”正常工作時(shí)，消耗的電功率最大，處于加熱狀態(tài)；
已知加熱功率P=500W，由P=$\frac{W}{t}$可得使4L、25℃的水燒開消耗電能：
W=Pt=500W×50×60s=1.5×10⁶J，
由ρ=$\frac{m}{V}$可得水的質(zhì)量：
m=ρ_水V=1.0×10³kg/m³×4×10^-3m³=4kg，
水吸收的熱量：
Q_吸=cm△t
=4.2×10³J/（kg•℃）×4kg×（100℃-25℃）
=1.26×10⁵J，
電熱鍋的效率η=$\frac{{Q}_{吸}}{W}$×100%=$\frac{1.26×1{0}^{5}J}{1.5×1{0}^{6}J}$×100%=84%．
等到溫控開關(guān)再次閉合后，
水沸騰吸收熱量：
${Q}_{吸}^{′}$=cm△t=4.2×10³J/（kg•℃）×4kg×（100℃-80℃）=3.36×10⁵J，
因電熱鍋的效率不變，消耗電能：
W′=$\frac{{Q}_{吸}^{′}}{η}$=$\frac{3.36×1{0}^{5}J}{84%}$=4×10⁵J，
由P=$\frac{W}{t}$可得，所需時(shí)間：
t′=$\frac{W′}{P}$=$\frac{4×1{0}^{5}J}{500W}$=800s．
故答案為：（1）電飯鍋的金屬外殼；（2）3；電流產(chǎn)生的熱量小于散失的熱量；（3）等到溫控開關(guān)再次閉合后，需要800s時(shí)間水才能沸騰．

點(diǎn)評(píng) 本題是一道電學(xué)與熱學(xué)的綜合應(yīng)用題，與實(shí)際生活相聯(lián)系，使學(xué)生覺得學(xué)了物理有用，加強(qiáng)安全意識(shí)，注意計(jì)算時(shí)的單位換算要正確．