Question

小明家的飲水機(jī)工作時(shí)有加熱和保溫兩種功能．小明通過閱讀說明書：知道飲水機(jī)中主要部件是兩根電熱絲R₁和R₂，一個(gè)溫控開關(guān)S₁及一個(gè)總開關(guān)S，其簡化電路圖如圖1所示，其它參數(shù)如下表．完成下列問題：[水的比熱是4.2×10³（J/kg?℃）]

額定電壓	220V
頻率	50Hz
加熱功率	880W
保溫功率	220W

（1）如果飲水機(jī)中熱水桶的容積是1L，這些水從20℃加熱到100℃需吸收多少熱量？
（2）R₁和R₂的阻值．
（3）請你利用圖中元器件設(shè)計(jì)出另外一種電路，同樣具有加熱和保溫兩種功能，在圖2的虛線框內(nèi)畫出電路圖．要求保溫功率與加熱功率之比仍為1：4．

Answer 1

分析：（1）飲水機(jī)中熱水桶的容積即為水的體積，根據(jù)ρ=

m

V

求出水的質(zhì)量，根據(jù)公式Q_吸=cm（t-t₀）求出水吸收的熱量；
（2）由電路圖可知，開關(guān)S₁閉合時(shí)，電路為R₁的簡單電路，根據(jù)公式P=

U2

R

可知，飲水機(jī)處于加熱狀態(tài)，知道加熱功率，利用P=

U2

R

求出R₁的阻值；當(dāng)開關(guān)S₁斷開時(shí)，兩電阻串聯(lián)，電路中的電阻最大，飲水機(jī)處于保溫狀態(tài)，利用P=

U2

R

求出電路中的總電阻，利用電阻的串聯(lián)求出電阻R₂的阻值；
（3）改變電路實(shí)現(xiàn)上面的功能，可以根據(jù)電阻的并聯(lián)，且其中的一個(gè)電阻由開關(guān)單獨(dú)控制來實(shí)現(xiàn)；根據(jù)并聯(lián)電路的電壓特點(diǎn)和P=

U2

R

分別求出兩電熱絲的電功率，根據(jù)保溫功率與加熱功率之比仍為1：4判斷開關(guān)位于的支路，然后畫出設(shè)計(jì)的電路圖．

解答：解：（1）根據(jù)ρ=

m

V

可得，熱水桶中的水質(zhì)量：
m=ρ_水V=1.0×10³kg/m³×1×10^-3m³=1kg，
水吸收的熱量：
Q_吸=cm（t-t₀）=4.2×10³J/（kg?℃）×1kg×（100℃-20℃）=3.36×10⁵J；
（2）開關(guān)S₁閉合時(shí)，電路為R₁的簡單電路，飲水機(jī)處于加熱狀態(tài)，
根據(jù)P=

U2

R

可得，R₁的阻值：
R₁=

U2

P加熱

=

(220V)2

880W

=55Ω；
當(dāng)開關(guān)S₁斷開時(shí)，兩電阻串聯(lián)，飲水機(jī)處于保溫狀態(tài)，
電路中的總電阻：
R=

U2

P保溫

=

(220V)2

220W

=220Ω，
∵串聯(lián)電路中總電阻等于各分電阻之和，
∴R₂=R-R₁=220Ω-55Ω=165Ω；
（3）改變電路實(shí)現(xiàn)上面的功能，可以用兩個(gè)電阻R₁、R₂并聯(lián)實(shí)現(xiàn)，且其中的一個(gè)電阻由開關(guān)單獨(dú)控制，
則兩電熱絲的功率分別為：
P₁=

U2

R1

=

(220V)2

55Ω

=880W，P₂=

U2

R2

=

(220V)2

165Ω

≈293.3W，
∵保溫功率與加熱功率之比仍為1：4，且P₁+P₂=4P₂，
∴開關(guān)S₁與R₁串聯(lián)時(shí)符合，設(shè)計(jì)的電路圖如下圖所示：

答：（1）這些水從20℃加熱到100℃需吸收3.36×10⁵J的熱量；
（2）R₁和R₂的阻值分別為55Ω、165Ω；
（3）電路圖如上所示．

點(diǎn)評：本題考查了密度公式、吸熱公式、串并聯(lián)電路的特點(diǎn)和電功率公式的應(yīng)用，要注意最后一問中電路元件不能變且要符合“保溫功率與加熱功率之比仍為1：4”．