初中物理競賽中的家用電器

杜建國　唐　偉

以家用電器為背景命題，其情景對學生來說既熟悉又新穎，其模型既典型清楚、嚴謹準確又簡單易操作。家用電器類題目在全國應用物理知識競賽中之所以得以高頻率出現，在于它能有效考查學生靈活運用所學物理知識分析和解決生活和技術中實際問題的能力，也能充分體現課程標準所倡導的“由生活走向物理，由物理走向社會”的教育理念。其考查的落腳點均為力、運動、電功電熱、電磁、能量轉換等主干知識，故而備受歷屆競賽命題者的青睞。

一、家用電器的電功、電熱

例（2008年第十八屆全國初中應用物理知識競賽復賽試題）有一種WSJ-60型號電水壺，圖1是電水壺的電路圖，L為電源指示燈、L為保溫指示燈、L為加熱指示燈，R、R、R為指示燈的保護電阻，其大小為100 kΩ左右；R為加熱器，其電阻小于100 Ω；S、S為壓鍵開關；ST溫控器是一個雙金屬片溫控開關，當溫度較低時，其處于閉合狀態，當溫度升高到一定值后，會自動斷開，從而實現了自動溫度開關控制。

當水壺放在底座上時，就分別壓下壓鍵開關S、S，并接通電路，如果插頭插入插座后，就接通了電源，電源指示燈就亮，反之就斷開。該壺有手動和自動兩種工作狀態。當鈕子開關撥到手動擋時，加熱電阻連入，開始加熱，水沸騰以后再將鈕子開關撥回。當鈕子開關撥到自動擋時，此時通過ST溫控器將加熱電阻連入，并開始加熱；當水沸騰后，ST溫控器的觸點斷開，進入保溫狀態，保溫指示燈亮；當水的溫度低于某溫度后，ST溫控器又重新接通，再次進入加熱狀態。若加熱器電阻阻值隨溫度改變而發生的變化可忽略不計，根據以上敘述與觀察，請回答以下問題。

1． 在下列空格中填寫“亮”或“不亮”。

（1）手動狀態通電工作時，電源指示燈_________，加熱指示燈_________，保溫指示燈_________。

（2）自動狀態通電工作時，水沸騰前：電源指示燈________，加熱指示燈_________，保溫指示燈________。水沸騰后：電源指示燈_________，加熱指示燈________，保溫指示燈_________。

2． 現將一滿壺25 ℃的水在標準大氣壓下燒開需時10 min，請計算該電水壺的熱效率。已知水的比熱容c=4.2×103 J／（kg?℃）。

3． 通過分析電水壺的電路，說明為什么處于自動狀態下，水未沸騰前，保溫指示燈是不亮的？

4． 試計算電水壺正常工作時其加熱電阻的阻值是多大？如果指示燈的保護電阻的大小是100 kΩ，當它處于保溫狀態時，試計算電水壺保溫時的功率有多大？由此可以說明什么問題？

解析1． （1）由圖1可知手動狀態通電工作時，電源指示燈亮，加熱指示燈亮，保溫指示燈不亮；（2）自動狀態通電工作時，水沸騰前：電源指示燈亮，加熱指示燈亮，保溫指示燈被ST溫控器短路，不亮；水沸騰后：電源指示燈亮，ST溫控器斷路，保溫指示燈亮，加熱指示燈不亮。

2． Q=cρV（t-t）=3.15×105 J

Q=600×10×60 J=3.6×105 J

該電水壺的熱效率η=×100%=87.5%。

3． 當電水壺處于自動狀態下，水未沸騰前，保溫指示燈與ST雙金屬片溫控器并聯，且ST雙金屬片溫控器處于連通短路狀態，所以保溫指示燈被短路不亮。

4． 由P=得電水壺正常工作時其加熱電阻的阻值R==80.7 Ω。

保溫狀態時，通過電熱器的電流I=＜=2.2×10-3A，

就以這個電流計算，保溫狀態時電熱器的發熱功率為：P=I2R=3.9×10-4 W。

由于發熱功率很小可以近似認為不發熱。所以保溫狀態下的水溫逐漸降低。

這類題的特點是：考查起點低，題干信息多，設問有階梯，模型易采集，落腳在雙基。①考查起點低。如例題中的第1問，實則考查對電路的認識，電路通則燈亮，不通則不亮（當通過的電流極其微弱時，可近似認為不通）；第2問考查電熱和效率的計算；第3問考查對電路的分析即短路、斷路在電路中的應用。②題干多信息。題目給出大量相關信息，考查學生收集有效信息的能力。如例題中題干給出各物理量的數據信息，工作原理；圖表給出相應的輔助信息。其中諸如型號、頻率及水壺圖片是無效信息，其余則是有效信息。③設問有階梯。結合新穎載體可以多角度、多層面考查學生基礎知識和基本技能。如例題中先考查對基本電路的識別、判斷，再考查電功電熱，后上升到對電路原理的理解，最終在把握全局的基礎上，考查電功率的應用。本題的亮點是在前面的基礎上很自然地延伸開去，即“由此可以說明什么問題？”對學生的能力提出了更高的要求，如顯性的“水溫逐漸降低”，隱性的如“近似思想”在生產生活中的應用等。④模型易采集。以貼近學生生活的小家電為載體，考查學生的建模能力。這些電器看似距中學生的課堂很遠，其實工作原理簡單，揭去題目中家用電器名稱的外衣，其電路或工作原理很容易與課本基本知識結合。⑤落腳在雙基。題目考查基礎知識的落腳點多是電功、電熱、歐姆定律、效率等主干知識，基本技能則考查了搜集和處理信息的能力、獲取新知識的能力、分析和解決問題的能力等。

解答此類試題的關鍵點是：①認真審題，弄清題目所涉及的相關原理，正確建模。②通過審題篩選出與解題相關的有效信息，依據相應的物理知識求解。③對于開放性問題，要結合試題情景和其中涉及的物理問題提出假設，在此基礎上的分析才有意義。

二、家用電器的電路與設計

例小芳利用電阻值分別為R=121 Ω、R=60.5 Ω的兩根電阻絲，兩個開關S、S和若干導線，設計一個有低、中、高三擋不同電功率的電取暖器，簡化后的電路圖如圖2甲所示。求：

（1）電取暖器分別位于低、中、高擋時各開關的斷開與閉合情況是怎樣的？每擋消耗的電功率是多少？

（2）如果再給你一個單刀雙擲開關，你如何設計一個有四個擋位的取暖器？畫出電路圖并說明每個擋位的開關斷開與閉合情況。

解析（1）當S閉合，S斷開時，電取暖器位于低擋；

當S閉合，S斷開時，電取暖器位于中擋；

當S、S均閉合時，電取暖器位于高擋。

電取暖器位于低擋時，消耗功率為：

P＝= W=400 W

電取暖器位于中擋時，消耗功率為：

P＝= W=800 W

電取暖器位于高擋時，消耗功率為：

P＝P＋P＝1 200 W

（2）設計如圖2乙：

說明：當S閉合，S斷開，S接2時，電取暖器位于一擋；

當S閉合，S斷開，S接1時，電取暖器位于二擋；

當S閉合，S斷開，S接2或1時，電取暖器位于三擋；

當S、S閉合， S接1時，電取暖器位于四擋。

這類題的特點是：電器構造簡單，工作原理淺顯，題目階梯發展，電路設計不難。①電器構造簡單。如例題中的電器只涉及最基本的串并聯電路，即只有一個電阻接入或兩個電阻并聯后接入，電路簡單、基礎。②工作原理淺顯。串并聯電路的基本原理是電學的基礎知識，這類問題較易于解答。③題目階梯發展。命題者多是基于先易后難這一設計思路來逐步加深，步步推進的，如本題的第（1）問容易，并且第（1）問為后面電路的設計提供了一種解題思路，有了這個思路，我們只需在前者的基礎上稍加修補即可。④電路設計不難。所謂的電路設計，并不是對前面推倒重來的完全創新，只不過是對基本電路的改進或淺加工，所以，設計難度不會太大。

解答此類試題的關鍵點是：①審題要仔細。仔細審題是解決問題的關鍵，通過讀題找出電路中各個元器件間的關系及各元器件間的組合種類，解題就會有思路。②原理最重要。電路的設計雖不難，但若弄不清物理規律，解此類題目時就會一頭霧水而無從下手。

1. （2008年全國初中物理競賽河南預賽）河南小剛家買了一個電磁爐如圖3所示，銘牌如下表，小剛對加熱效率在95％以上有些懷疑，他用專用的鐵鍋盛3 kg、20 ℃的自來水，放在電磁爐上，用額定功率Ⅱ擋進行加熱10 min水被燒開。已知水的比熱容為4.2×103 J/（kg?℃），求：

（1）加熱過程中水吸收的熱量。

（2）電磁爐的加熱效率。

（3）如果用這臺電磁爐燒開水，用功率Ⅰ擋還是用功率Ⅱ擋？為什么？

2. （2008年第十八屆全國初中應用物理知識競賽預賽試題）如圖4是一個電熱器的工作原理圖，電熱器內有兩個阻值分別為R=60 Ω和R=120 Ω的電熱絲；旋轉開關內有一塊絕緣圓盤，在圓盤的邊緣依次有0，1，2，……9共10個金屬觸點；可以繞中心軸轉動的開關旋鈕兩端各有一個金屬滑片，轉動開關旋鈕可以將相鄰的觸點連接。如旋鈕上的箭頭指向圖中位置D時，金屬滑片將2、3觸點接通，同時另一端將7、8觸點接通。用這個旋轉開關可以實現電熱器有多擋位工作的要求。請回答：

（1）這個電熱器可有幾個不同加熱擋位？并指出每個加熱擋位旋轉開關的箭頭指向的位置。

（2）將此電熱器接入家庭電路中，電熱器在正常工作時每個擋位的功率各是多大。