博达学校2020年秋九(1)班物理竞赛训练试题
电功率高效培优5
1.有一种WSJ?60型号电水壶,右图是电水壶的电路图,L1为电源指示灯、L2为保温指示灯、L3为加热指示灯,R1、R2、R3为指示灯的保护电阻,其大小为100kΩ左右;R为加热器,其电阻小于100Ω;S1、S2为压键开关；ST温控器是一个双金属片温控开关，当温度较低时，其处于闭合状态，当温度升高到一定值后，会自动断开，从而实现了自动温度开关控制。
当水壶放在底座上时,就分别压下压键开关S1、S2，并接通电路，如果插头插入插座后，就接通了电源，电源指示灯就亮，反之就断开。 该壶有手动和自动两种工作状态。
当钮子开关拨到手动挡时，加热电阻连入，开始加热，水沸腾以后再将钮子开关拨回。
当钮子开关拨到自动挡时，此时通过ST温控器将加热电阻连入，并开始加热；当水沸腾后，ST温控器的触点断开，进入保温状态，保温指示灯亮；当水的温度低于某温度后，ST温控器又重新接通，再次进入加热状态。
若加热器电阻阻值随温度改变而发生的变化可忽略不计，根据以上叙述与观察，请回答以下问题。
(1)在下列空格中填写“亮”或“不亮”
Ⅰ、手动状态通电工作时，电源指示灯___，加热指示灯___，保温指示灯___.
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Ⅱ、自动状态通电工作时，水沸腾前：电源指示灯___，加热指示灯___，保温指示灯___.水沸腾后：电源指示灯___，加热指示灯___，保温指示灯___.
(2)现将一满壶25℃的水在标准大气压下烧开需时10min,请计算该电水壶的热效率。水的比热容c=4.2×103J/(kg?℃).
(3)通过分析电水壶的电路，说明为什么处于自动状态下，水未沸腾前，保温指示灯是不亮的?
(4)试计算电水壶正常工作时其加热电阻的阻值是多大?如果指示灯的保护电阻的大小是
100kΩ，当它处于保温状态时，试计算电水壶保温时的功率有多大?由此可以说明什么问题?
2.请回答下列与家用电器有关的问题。
(1)现有两个额定电压分别为12V和6V，电阻不变的小型电热器。甲同学认为将两个电热器串联后接入18V的电源上就可以使他们正常工作：乙同学认为将两个电热器串联后接入18V的电源上并不能使他们正常工作，请你作出判断并说明理由。
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(2)如图a所示为某种型号的电热饮水机的电路图。接通加热开关K,制热指示灯亮,电加热器给贮水箱中的冷水加热。当贮水箱中的水温达到90℃时,停止加热,制热指示灯灭,保温指示灯亮。如此反复,使贮水箱中的水温保持在80℃?90℃之间。如果水温意外超过98℃,其中一个温控器会终止电加热器对贮水箱中的水的加热,并需要通过手动复位后饮水机才会恢复正常,该温控器叫做过热温控器。根据电路图可知,图中温控器___为过热温控器(选填“A”或“B”).再加热过程中,温控器A处于___状态;温控器B处于___状态;在保温阶段,温控器A处于___状态,温控器B处于___状态(以上均选填“闭合”或“断开”).
(3)上题中的电加热器为“220V,500W”的电热丝,电路中的指示灯为“4V,0.02A”的发光元件,为实现正常指示,电路中的电阻R2___(选填大于、等于或小于)R3,其中R2=___Ω.
(4)上题中的电热饮水机不能煮沸水。如图b所示，是一种常见的可以煮沸水的电开水壶，电开水壶的容积为1L.如图c所示，是用温度传感器测量得到的电开水壶在加热和冷却过程中温度随时间变化的图线，请利用图线，求加热过程中水吸收热量的功率。
(5)如果给如图b所示的电开水壶加装一个自动加热功率控制器，当电开水壶将水煮沸后自动调整加热功率时水温保持在80℃，请利用图线，求保温时的电加热功率。
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3.如图甲所示,是某型号电压力锅简化的工作电路图.R0是阻值为484Ω的保温电阻,R1是规格为“220V 800W”的主加热电阻,R2是副加热电阻。电压力锅煮饭分为“加热升压→保压→保温”三个阶段,通过如图乙所示的锅内工作压强与时间“(P?t)”关系图象可了解其工作过程：接通电源,启动智能控制开关S,S自动接到a,同时S1自动闭合,电压力锅进入加热升压状态;当锅内工作压强达80kPa时,S1自动断开,进入保压状态,当锅内工作压强降至60kPa时,S1又会自动闭合;当保压状态结束,饭就熟了,S自动接到b,减压进入保温状态。电压力锅煮饭时,在正常加热升压和保压状态共耗电0.25kW?h,下列说法正确的是()
A. 电压力锅是对大气压强的应用
B. 当锅内工作压强为40kPa时，电压力锅处于升压状态
C. 电压力锅煮饭时,在正常加热升压和保压状态R1的工作时间是18min D. 电压力锅正常工作时的最大电流是5A
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. 如图是多档位电热器的工作电路图,电热器内只有两个阻值分别为 R1=50 欧
和 R2=100 欧的电热丝；旋转开关内有一块绝缘圆盘，在圆盘的边缘依次有“0、1、2???????9”共 10个金属触点；可以绕中心轴转动的旋钮开关两端各有一个金属滑片，转动旋钮开关可以将相邻的触点连接。如旋钮上的箭头指向图中位置D时，金属滑片将2、3 触点接通，同时另一端将 7、8触点接通。电源电压为 220 伏。用这个旋转开关可以实现电热器有多档位加热功率的要求。请回答： (l)该电热器可有几个不同加热档位? (2)将此电热器接入家庭电路中，电热器在正常工作时每个档位的功率各是多大?并分别指出旋钮开关接在哪个档位。
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5.如图甲所示是某电热器的工作原理图,R1、R2是发热电阻，虚线框为电热器的金属外壳。它用一个旋转开关可以实现电热器多档位工作的要求。其中旋转开关内有一块绝缘圆盘，在圆盘的左边缘依次有4个金属触点①、②、③、④，右边缘是一块金属板，可绕中心轴转动的开关旋钮两端各有一个金属滑片，转动开关旋钮可以将左边缘相邻的两个触点与右边缘的金属板同时连通。如旋到图中位置S时，金属滑片将①、②两触点同时与右边缘金属板接通。
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(1)如果请你为这台电热器配备一个三脚插头,如图乙所示,应该将电路图中的地线接到插头的___(填“G”“L”或“N”)脚。正常情况下，火线和零线之间的电压为___V。 (2)小明想在电路中加一个“倾倒开关”，使电热器被碰倒时能自动断开电路，以免引起火灾。该开关最好应安装在示意图中A. B. C. D. E中的___点处。 (3)如果R1=R2,旋钮开关旋到位置S时的电功率为1000W,R1的阻值是___。 (4)当旋钮开关旋到位置T时，通电1min产生的热量是___。 (5)某种橡皮绝缘铜芯导线在常温下安全载流量(长时间通电时的最大安全电流)如下表所示，选横截面积为___的铜芯导线作为该电热器的输出导线，符合既适用又经济的原则。 导线规格 导线横截面积S/mm2 0.5 1 1.5 2.5 安全载流量I/A 4 8 12 20
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参考答案
1.(1)Ⅰ、手动状态通电时,电源指示灯L1和保护电阻R1串联与加热指示灯L3和保护电阻R3串联后并联接入电路,形成通路,电源指示灯和加热指示灯会亮,而保温指示灯L2和保护电阻R2串联的电路处于开路状态,保温指示灯L2不亮
Ⅱ、自动状态通电时，水沸腾前由于ST温控器处于闭合状态，将保温电阻短路，加热电阻接入电路，并开始加热；这时电源指示灯亮，加热指示灯亮，保温指示灯不亮。当水沸腾后，ST温控器的触点断开，将保温电阻接入电路，加热电阻处于开路，进入保温状态开始保温；这时电源指示灯亮，加热指示灯不亮，保温指示灯亮。 故答案为：Ⅰ、亮，亮，不亮；Ⅱ、亮，亮，不亮；亮，不亮，亮。
(2)因为Q有=cρV(t?t0)=4.2×103J/(kg?℃)×1×103kg/m3×1×10?3m3×(100℃?25℃)=3.15×105J，
Q总=600W×10×60s=3.6×105J，
所以η=Q有Q总×100%=3.15×105J3.6×105J×100%=87.5%
答：该电水壶的热效率为87.5%.
(3)因为当电水壶处于自动状态下，水未沸腾前，保温指示灯与ST双金属片温控器并联，
且ST双金属片温控器处于连通，对保温指示灯短路；所以保温指示灯被短路不亮。 (4)由P=U2R得电水壶正常工作时其加热电阻的阻值 R=U2P=(220V)2600W80.7Ω，
保温状态时，电路中加热电阻与保温指示电路串联后与电源指示电路并联接通电路。 所以通过电热器的电流为：
I=UR1+RL1+UR+R2+RL2 即可以近似认为不发热。所以保温状态下的水温逐渐降低。 4 答：电水壶正常工作时其加热电阻的阻值是80.7Ω，当它处于保温状态时，电水壶保温时的 功率为0.484W，可以说明保温状态下电水壶近似认为不发热，水温会逐渐降低。 2.(1)答：已知电热器的额定电压分别为12V和6V，要使它们正常工作，两端实际电压应该分别为12V和6V；在串联电路中，用电器两端电压与其阻值成正比，即要使两电热器正常工作，它们的电阻之比为2:1，且电源电压为12V+6V=18V.所以两位同学的说法都不正确； (2)由电路图知,温控器A与电阻R3、指示灯L3并联后再与电热器、温控器B串联,已知温度过高使温控器断开后,需要通过手动复位后饮水机才会恢复正常,如果A为此温控器,虽然断开,但电流仍可以通过电阻R3、指示灯L3到达电热器，电热器能够工作；而B为此温控器，因为与电热器串联，当断开时，无论A是什么状态，都没有电流从电热器经过，饮水机都不能工作，因此B为过热温控器； 由公式P=U2R知,在加热过程中,电路中的功率应该最大,在电源电压一定时,电路电阻最小,所以温控器A. B都需要闭合,使电阻R3短路,电路中电热器和电阻R2并联，总电阻最小，所以电功率最大，处于加热状态； 由公式P=U2R知,在保温过程中,电路中的功率应该较小,在电源电压一定时,电路电阻较大,所以温控器A断开、B闭合,使电热器和电阻R2并联后再与电阻R3串联，电路总电阻较大，所以电功率较小，处于保温状态； 故答案为：B；闭合；闭合；断开；闭合； (3)由上分析知,当温控器A断开,温控器B闭合时,饮水机为保温状态,此时电热器与电阻R2并联再与电阻R3、指示灯A串联,要保证电源电压主要加在电热器两端,必须使电热器和电阻R2并联后的总电阻远远大于电阻R3的阻值,所以R2的阻值大于R3； 当指示灯L2发光时,饮水机为加热状态,此时电热器两端电压为电源电压220V,所以电阻R2和指示灯L2的总电压也为220V， 电阻R2两端电压为U2=U?UL2=220V?4V=216V 电阻R2的阻值为R2=U2I=216V0.02A=1.08×104Ω； 故答案为：大于;1.08×104； 4 博达学校2020年秋九(1)班物理竞赛训练试题 (4)水吸收的热量为 Q=cm△t=cρV△t=4.2×103J/(kg?℃)×1.0×103kg/m3×1×10?3m3×(100℃?60℃)=1.68×105J， 饮水机的加热功率为P=Wt=Qt=1.68×105J250s=672W； 3.D 4. (1)有四个档位：A档：当旋纽上的箭头指向图中位置A或F时； B档：当旋纽上的箭头指向图中位置B或G时； C档：当旋纽上的箭头指向图中位置C或H时； D档：当旋纽上的箭头指向图中位置D或I时。 (2)A档：R1、R2并联连入电路，电路的总电阻最小，为最大功率档； P1=U2R1+U2R2=(220V)250Ω+(220V)2100Ω=1452W， B档：只有R1接入电路，为较大功率档， P2=U2R1=(220V)250Ω=968W； C档：R1、R2串联连入电路，电路的总电阻最大，为最小功率档， 电路的总电阻R=R1+R2=50Ω+100Ω=150Ω， P3=U2R=(220V)2150Ω≈322.7W； D档：只有R2接入电路，为较小功率档， P4=U2R2=(220V)2100Ω=484W. 答：(1)这个电热器可有四个不同加热挡位； (2)电热器在正常工作时每个档位的功率依次为1452W、968W、222.7W、484W. 5.(1)由图乙可知，G插头在上端，且较长，故G是接地线的，可防止因用电器外壳漏电而触电； 正常情况下，火线和零线之间的电压为220V； (2)防止倾倒造成火灾，一定把“倾倒开关”接在火线上，在电热器倾倒时，能”切断“火线，所以倾倒开关接在A处； 5 (3)由图甲可知,旋钮开关旋到位置S时,R1被短路,电路为R2的简单电路， 由P=UI=U2R可得,R2的阻值：R2=U2P=(220V)21000W=48.4Ω， 由R1=R2可得,R1的阻值也为48.4Ω； (4)当旋钮开关旋到位置T时,R1与R2串联， 因串联电路中总电阻等于各分电阻之和， 所以，通电1min产生的热量： Q=U2R1+R2t=(220V)248.4Ω+48.4Ω×60s=3×104J， (5)分析图甲可知，该电热器共有2个加热档，且结合题意可知，其最大功率为1000W，由P=UI可知，电热器工作时的最大电流： I=PU=1000W220V≈4.55A， 由表可知,应选横截面积为1mm2的导线。 故答案为：(1)G;220;(2)A;(3)48.4Ω;(4)3×104J;(5)1mm2。 5
初中物理电功率高效培优(含答案)5
