中学物理中用电器加热、保温问题的解题策略

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  用电器的加热与保温问题是近几年中考的热点和难点,一方面考查了学生电学知识的综合应用能力,另一方面体现了初中物理课程标准所要求的“从生活走向物理,从物理走向社会”的课程基本理念.本文结合中考实例进行分析,点明解题的关键,并对这类题型进行了分类.
  1.用电阻的串联和局部短路来实现档位的切换
  例1某电饭锅设有“加热”和“保温”两档,其内部简化电路如图1.已知R0=44Ω,R=2156Ω.则:(1)当开关S置于“1”档时,电饭锅处于(选填“加热”或“保温”)状态.(2)当电饭锅处于保温档时,电路中的电流是多少?(3)当开关S置于“2”挡时,电饭锅的总功率是多少?
  解析:(1)首先正确判断出开关在什么位置时,电路处于加热或保温状态.由电路图可知,当开关S置于“1”档时,两电阻串联,电路总电阻最大.由P=U2R可知,电饭锅电功率最小,处于保温状态.在这里,很多学生会做出错误的判断:R0、R构成串联电路,由焦耳定律Q=I2Rt可知,电阻R越大,发热越多,所以开关S置于“1”档时,电路处于加热状态.错误的原因在于,他们没有考虑到:电路变化时,电源电压不变,两个电阻串联,总电阻R变大了,而电路中的电流I却减小了,电路放出的热量如果还是通过焦耳定律来判断,就不够清楚了.此时,要选择P=U2R公式来判断,就能清楚地得出正确答案.(2)当电饭锅处于保温档时,电路中的电流I=UR0 R=220V44Ω 2156Ω=0.1A.(3)由电路图可知,当开关S置于“2”挡时,只有电阻R0接入电路,电饭锅的总功率P=U2R0=(220V)244Ω=1100W.
  2.用并联电路和断开或闭合开关来换档
  例2某电热饮水机有加热和保温两种工作状态,由机内温控开关S0自动控制,从说明书上收集到如右表的参数和如图2的电路原理图.若该电热饮水机的加热效率为70%,现将水箱内装满20℃的水,加热到75℃.请解答下列问题:(1)当开关S闭合,S0断开时,饮水机处于保温状态(选填“加热”或“保温”).(2)电阻R2的阻值.(3)本次电热饮水机的加热时间.
  解析:(1)开关S0断开前后电路电阻的变化:S0断开时,电路的总电阻为R2,S0闭合时,电路为并联电路,总电阻为R.根据并联电路电阻的特点,总电阻R会小于R2.选择公式P=U2R分析知,当开关S闭合,S0断开时,功率小,饮水机处于保温状态.(2)S0断开时,饮水机处于保温状态,知道保温功率,根据P=U2R求出电阻R2的阻值.(3)根据m=ρV求出水箱中水的质量,根据Q=cm△t求出水吸收的热量,利用效率公式求出电热器放出的总热量,再根据Q=W=Pt,求出所需的加热时间.
  3.新题型之一图多档
  例3家用电熨斗,为了适应不同衣料的熨烫需要,设计了调整温度的多档开关.使用时,转动旋钮即可使电熨斗达到需要的低温、中温或高温.图3是电熨斗的电路图,图中电热丝R1=R2=100Ω.旋转开关可以改变1、2、3、4四个接点的连接情况,如图4中的A、B、C所示.(1)图4中的A图表示电熨斗处于哪一档.(2)求电熨斗在中温档工作时消耗的电功率.
  分析:分析电路可知,A图两电阻并联,总电阻最小,B图电路中只有一个电阻,C图两电阻串联,总电阻最大.总电压U一定,总电阻R越大,根据P=U2R可知相应的功率越小,所以A、B、C图分别处于高、中、低温档.由于判断出了各个图的档位,根据P=U2R,就可求出其电功率.
  总之,随着生活中越来越多像电饭锅、电烤箱、饮水机等这类用电器的出现,用电器的加热与保温问题还会是热门考点,出题者往往创设新的试题情境,转换题目考查角度来检验学生对电学知识的综合理解能力.只要正确分析电路,选择合适的公式,就能快速正确地解答此类问题.
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