資源簡介

核心專題三 多擋位電熱器專題及電熱效率
素養(yǎng)目標(biāo)
1.通過電路的動態(tài)變化過程中形成的多擋電路計算,進一步熟悉應(yīng)用電功、電功率及焦耳定律對電路進行計算。
2.通過電熱轉(zhuǎn)換效率的計算,加深對電流熱效應(yīng)及電流做功過程就是將電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的本質(zhì)的理解。
◎重點:會分析動態(tài)電路、畫出動態(tài)電路的等效電路,并根據(jù)歐姆定律、電功、電能、焦耳定律計算。
【專題突破】
　　1.串聯(lián)多擋電路
例1如圖所示,這是某家用電熱煮茶器的簡化電路圖。R1和R2均為電熱絲,S為單刀雙擲開關(guān)。R1的阻值是88 Ω,R2的阻值是352 Ω,電源電壓是220 V。開關(guān)S接“1”時,為加熱狀態(tài);開關(guān)S接“2”時,為保溫狀態(tài)。問:
(1)加熱狀態(tài)時,電路中的電流是多少
(2)加熱狀態(tài)時,通電5 min電流做功是多少
(3)保溫狀態(tài)時,電路消耗的總功率是多少
思路導(dǎo)引　(1)開關(guān)S接“1”時,為R1的簡單電路,由歐姆定律得出電路中的電流;
(2)加熱狀態(tài)時,根據(jù)W=UIt=t求出通電5 min 電流做的功;
(3)開關(guān)S接“2”時,兩電阻串聯(lián),由串聯(lián)電阻的規(guī)律得出電路的總電阻,根據(jù)P=求出保溫狀態(tài)時電路消耗的總功率。
對點自測
1.甲、乙分別是某調(diào)溫型電烤箱和其簡化電路圖,它的工作電壓為220 V,R1和R2均為電烤箱中的加熱元件,R2的阻值為70 Ω。當(dāng)只閉合S1時為低溫擋,低溫擋電烤箱的電功率為440 W。
(1)低溫擋工作時,電路中的電流是多少
(2)發(fā)熱電阻R1的阻值是多少
(3)高溫擋時應(yīng)該閉合的開關(guān)是 ,高溫擋的電功率是多少
(4)小余發(fā)現(xiàn)在傍晚用電高峰時,電烤箱內(nèi)比平時溫度低,他猜想是用電高峰時電壓偏低所致,于是他想用電能表和停表測量家庭電路的實際電壓。傍晚用電高峰時,他關(guān)閉家里所有用電器,只讓電烤箱以高溫擋工作,發(fā)現(xiàn)在30 s內(nèi)電能表的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)了25轉(zhuǎn),電能表的銘牌如圖丙所示,則用電高峰時家庭電路的實際電壓為多少 (不考慮電阻值隨溫度的變化)
【答案】1.串聯(lián)多擋電路
例1　解:(1)開關(guān)S接“1”時,為R1的簡單電路,為加熱狀態(tài),電路消耗的功率:
P加熱===550 W
(2)開關(guān)S接“2”時,兩電阻串聯(lián),為保溫狀態(tài),電路的總電阻:
R=R1+R2=88 Ω+352 Ω=440 Ω
通電5 min電流做功:
W=t=×5×60 s=3.3×104 J
(3)保溫狀態(tài)時,電路電流:
I===0.5 A
電熱絲R1消耗的功率:
P1=I2R1=(0.5 A)2×88 Ω=22 W
對點自測
(3)S1、S2
解:(1)低溫擋電烤箱的電功率為440 W,根據(jù)P=UI得低溫擋工作時電路中的電流:
I===2 A
(2)當(dāng)只閉合S1時,兩電阻串聯(lián),為低溫擋,低溫擋的電流為2 A,由歐姆定律得電路的總電阻:
R1+R2=,
故R1=-R2=-70 Ω=40 Ω;
(3)兩開關(guān)S1、S2閉合時,為R1的簡單電路,此時的電阻小于兩電阻串聯(lián)的電阻,根據(jù)P=可知此時為高溫擋,高溫擋的電功率:
P高===1210 W
(4)電能表盤中標(biāo)有3 000 r/kW·h,表示每消耗1 kW·h的電能,電能表轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)3 000圈,電能表轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)25轉(zhuǎn)時,消耗的電能為:
W=×25 kW·h= kW·h=×3.6×106 J=3×104 J
實際功率:
P實===1000 W
根據(jù)P=,在R不變時,電功率與電壓的平方成正比,故有:
=
用電高峰時家庭電路的實際電壓:
U實===200 V
　　2.并聯(lián)多擋電路
例2　圖甲為某電烤箱的內(nèi)部簡化電路,S1為自動控制開關(guān),R1和R2均為電熱絲,圖乙是電烤箱正常工作時電流隨時間變化的圖像。求:
(1)低溫擋工作時的功率。
(2)電熱絲R2的阻值。
(3)15 min內(nèi)R1消耗的電能。
思路導(dǎo)引　(1)由圖可知,閉合開關(guān)S,電路為R1的簡單電路,電路中的電阻較大,由P=可知電功率較小,處于低溫擋,當(dāng)S和S1閉合時,兩個電阻并聯(lián),電路中的總電阻較小,由P=可知電功率較大,處于高溫擋,由P=UI可知,電壓不變,低溫擋時,通過電路的電流較小;根據(jù)圖乙讀出低溫擋時的電流,根據(jù)P=UI算出低溫擋工作時的功率。
(2)開關(guān)S1斷開時,電路中只有R1工作,由乙圖可知通過R1的電流值,根據(jù)并聯(lián)電路的電流特點可知R2工作時通過的電流值,然后根據(jù)歐姆定律即可求出R2的阻值。
(3)根據(jù)W1=UI1t算出15 min內(nèi)R1消耗的電能。
對點自測
2.如圖所示,電源電壓恒定不變,小燈泡L標(biāo)有“2.5 V　0.75 W”的字樣,R1、R2為定值電阻,其中R1=25 Ω,R2=35 Ω,當(dāng)S1、S2都斷開時,小燈泡正常發(fā)光。(忽略溫度對電阻的影響)
(1)求電源電壓。
(2)當(dāng)S1閉合,S2斷開時,求電流表示數(shù)的大小。
(3)當(dāng)S1、S2都閉合時,求整個電路通電210 s產(chǎn)生的熱量。
【答案】2.并聯(lián)多擋電路
例2　解:(1)由圖可知,閉合開關(guān)S,只有R1的簡單電路,電路中的電阻較大,由P=可知電功率較小,處于低溫擋;
當(dāng)S和S1閉合時,兩個電阻并聯(lián),電路中的總電阻較小,由P=可知電功率較大,處于高溫擋;
由P=UI可知,電壓不變,低溫擋時,通過電路的電流較小;
由圖乙可知,低溫擋時的電流是6 A,低溫擋工作時的功率:
P低=UI低=220 V×6 A=1320 W
(2)由圖乙可知,低溫擋時只有R1的簡單電路,低溫擋時的電流是6 A,通過R1的電流是6 A,高溫擋時的總電流是10 A,高溫擋兩個電阻并聯(lián),
由并聯(lián)電路的特點可知通過R1的電流不變,由并聯(lián)電路電流的規(guī)律可知,通過R2的電流:
I2=I-I1=10 A-6 A=4 A
電熱絲R2的阻值:
R2===55 Ω
(3)15 min內(nèi)R1消耗的電能:
W1=UI1t=220 V×6 A×15×60 s=1.188×106 J=0.33 kW·h
對點自測
2.解:(1)當(dāng)S1、S2都斷開時,小燈泡L與R1串聯(lián),小燈泡正常發(fā)光,根據(jù)小燈泡L標(biāo)有“2.5 V　0.75 W”,電路中的電流:
I=IL===0.3 A
由I=可得R1兩端的電壓,
U1=IR1=0.3 A×25 Ω=7.5 V
電源的電壓等于小燈泡兩端電壓與R1兩端電壓之和:
U=UL+U1=2.5 V+7.5 V=10 V
(2)當(dāng)S1閉合,S2斷開時,小燈泡L短路,R2斷開,只有R1接入電路,由I=可得電流表示數(shù):
I1===0.4 A
(3)當(dāng)S1、S2都閉合時,R1、R2并聯(lián),整個電路通電210 s產(chǎn)生的熱量:
Q1=t=×210 s=840 J
Q2=t=×210 s=600 J
Q=Q1+Q2=840 J+600 J=1440 J
3.電熱轉(zhuǎn)換效率
例3　某電熱水器工作時的效率是87%,電熱水器消耗電能3.6×106 J時,則水吸熱 J,電熱水器是把 能轉(zhuǎn)化為 能的設(shè)備。
思路導(dǎo)引　已知電熱水器工作時的效率和消耗的電能,根據(jù)效率公式求出水吸收的熱量。
對點自測
3.在探究“電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與哪些因素有關(guān)”時,把兩根電熱絲A、B(電阻分別為10 Ω、15 Ω)分別放在如圖所示的甲、乙兩個完全相同的燒瓶中并接入電路,在燒瓶中加入0.2 kg初溫均為20 ℃的煤油,再分別插入相同的溫度計。實驗中可通過觀察 來比較電流通過電熱絲產(chǎn)生熱量的多少。閉合開關(guān)通電4 min,甲溫度計的示數(shù)為25 ℃,乙溫度計的示數(shù)為27 ℃,由此可以得出結(jié)論: 。若此時電流表示數(shù)為1 A,煤油的比熱容為c煤油=2.1×103 J/(kg·℃),則甲燒瓶中煤油吸熱效率為 。
【答案】3.電熱轉(zhuǎn)換效率
例3　3.132×106　電　內(nèi)
對點自測
3.溫度計的示數(shù)　電流和通電時間相同時,電阻越大,產(chǎn)生的熱量越多　87.5%
【方法突破】
1.串聯(lián)多擋電路
(1)“雙擋”中的電阻:電熱器通常設(shè)計有“高溫擋”和“低溫擋”。根據(jù)P=可知,當(dāng)U一定時,電阻越大,電功率越小;電阻越小,電功率越大。所以高溫擋總電阻最小,低溫擋總電阻最大。
(2)“雙擋”的控制開關(guān)
①短路式:兩個電阻串聯(lián),把開關(guān)與其中一個電阻并聯(lián),如下圖所示。
當(dāng)閉合開關(guān)時,有一個電阻短路,只有一個電阻工作,此時為高溫擋;當(dāng)斷開開關(guān)時,兩電阻串聯(lián),電阻大一些,電熱器的功率小一些,此時為低溫擋。
②單刀雙擲式:主要工作電阻放在干路上,一條支路用導(dǎo)線,另一條支路連接在附加電阻上,如下圖所示。
當(dāng)開關(guān)擲向附加電阻的支路時,兩電阻串聯(lián),為低溫擋;當(dāng)開關(guān)擲向?qū)Ь€支路時,只有主要工作電阻工作,此時為高溫擋。
2.并聯(lián)多擋電路
(1)如圖所示,高溫(加熱)擋:S1、S2均閉合時,R1、R2都工作,此時,整個電路的功率P加熱=+;
低溫(保溫)擋:S1閉合,S2斷開時,只有R1工作,此時,整個電路的功率P保溫=;
因為電源電壓U相同,所以+>,即P加熱>P保溫。
分析電路的兩種狀態(tài)可知:在同一并聯(lián)電路中,在電源電壓一定時,并聯(lián)的用電器越多,電路的總電阻越小,電路的總功率越大。
(2)如圖所示,開關(guān)S2閉合、S1接a,R1、R2并聯(lián),總電阻最小,總功率最大,屬于高擋位;開關(guān)S2閉合、S1接b,只有R1接入電路,電阻值居中,總功率居中,屬于中擋位;(3)開關(guān)S2斷開、S1接b,R1、R2串聯(lián),總電阻最大,總功率最小,屬于低擋位。

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