初中物理競(jìng)賽中的家用電器

杜建國(guó)　唐　偉

以家用電器為背景命題，其情景對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)既熟悉又新穎，其模型既典型清楚、嚴(yán)謹(jǐn)準(zhǔn)確又簡(jiǎn)單易操作。家用電器類(lèi)題目在全國(guó)應(yīng)用物理知識(shí)競(jìng)賽中之所以得以高頻率出現(xiàn)，在于它能有效考查學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)物理知識(shí)分析和解決生活和技術(shù)中實(shí)際問(wèn)題的能力，也能充分體現(xiàn)課程標(biāo)準(zhǔn)所倡導(dǎo)的“由生活走向物理，由物理走向社會(huì)”的教育理念。其考查的落腳點(diǎn)均為力、運(yùn)動(dòng)、電功電熱、電磁、能量轉(zhuǎn)換等主干知識(shí)，故而備受歷屆競(jìng)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(guó)初中應(yīng)用物理知識(shí)競(jìng)賽復(fù)賽試題）有一種WSJ-60型號(hào)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(hù)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(kāi)關(guān)；ST溫控器是一個(gè)雙金屬片溫控開(kāi)關(guān)，當(dāng)溫度較低時(shí)，其處于閉合狀態(tài)，當(dāng)溫度升高到一定值后，會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)溫度開(kāi)關(guān)控制。

當(dāng)水壺放在底座上時(shí)，就分別壓下壓鍵開(kāi)關(guān)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(kāi)。該壺有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作狀態(tài)。當(dāng)鈕子開(kāi)關(guān)撥到手動(dòng)擋時(shí)，加熱電阻連入，開(kāi)始加熱，水沸騰以后再將鈕子開(kāi)關(guān)撥回。當(dāng)鈕子開(kāi)關(guān)撥到自動(dòng)擋時(shí)，此時(shí)通過(guò)ST溫控器將加熱電阻連入，并開(kāi)始加熱；當(dāng)水沸騰后，ST溫控器的觸點(diǎn)斷開(kāi)，進(jìn)入保溫狀態(tài)，保溫指示燈亮；當(dāng)水的溫度低于某溫度后，ST溫控器又重新接通，再次進(jìn)入加熱狀態(tài)。若加熱器電阻阻值隨溫度改變而發(fā)生的變化可忽略不計(jì)，根據(jù)以上敘述與觀察，請(qǐng)回答以下問(wèn)題。

1． 在下列空格中填寫(xiě)“亮”或“不亮”。

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

（2）自動(dòng)狀態(tài)通電工作時(shí)，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(xiàn)將一滿(mǎn)壺25 ℃的水在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下燒開(kāi)需時(shí)10 min，請(qǐng)計(jì)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(guò)分析電水壺的電路，說(shuō)明為什么處于自動(dòng)狀態(tài)下，水未沸騰前，保溫指示燈是不亮的？

4． 試計(jì)算電水壺正常工作時(shí)其加熱電阻的阻值是多大？如果指示燈的保護(hù)電阻的大小是100 kΩ，當(dāng)它處于保溫狀態(tài)時(shí)，試計(jì)算電水壺保溫時(shí)的功率有多大？由此可以說(shuō)明什么問(wèn)題？

解析1． （1）由圖1可知手動(dòng)狀態(tài)通電工作時(shí)，電源指示燈亮，加熱指示燈亮，保溫指示燈不亮；（2）自動(dòng)狀態(tài)通電工作時(shí)，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(dāng)電水壺處于自動(dòng)狀態(tài)下，水未沸騰前，保溫指示燈與ST雙金屬片溫控器并聯(lián)，且ST雙金屬片溫控器處于連通短路狀態(tài)，所以保溫指示燈被短路不亮。

4． 由P=得電水壺正常工作時(shí)其加熱電阻的阻值R==80.7 Ω。

保溫狀態(tài)時(shí)，通過(guò)電熱器的電流I=＜=2.2×10-3A，

就以這個(gè)電流計(jì)算，保溫狀態(tài)時(shí)電熱器的發(fā)熱功率為：P=I2R=3.9×10-4 W。

由于發(fā)熱功率很小可以近似認(rèn)為不發(fā)熱。所以保溫狀態(tài)下的水溫逐漸降低。

這類(lèi)題的特點(diǎn)是：考查起點(diǎn)低，題干信息多，設(shè)問(wèn)有階梯，模型易采集，落腳在雙基。①考查起點(diǎn)低。如例題中的第1問(wèn)，實(shí)則考查對(duì)電路的認(rèn)識(shí)，電路通則燈亮，不通則不亮（當(dāng)通過(guò)的電流極其微弱時(shí)，可近似認(rèn)為不通）；第2問(wèn)考查電熱和效率的計(jì)算；第3問(wèn)考查對(duì)電路的分析即短路、斷路在電路中的應(yīng)用。②題干多信息。題目給出大量相關(guān)信息，考查學(xué)生收集有效信息的能力。如例題中題干給出各物理量的數(shù)據(jù)信息，工作原理；圖表給出相應(yīng)的輔助信息。其中諸如型號(hào)、頻率及水壺圖片是無(wú)效信息，其余則是有效信息。③設(shè)問(wèn)有階梯。結(jié)合新穎載體可以多角度、多層面考查學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能。如例題中先考查對(duì)基本電路的識(shí)別、判斷，再考查電功電熱，后上升到對(duì)電路原理的理解，最終在把握全局的基礎(chǔ)上，考查電功率的應(yīng)用。本題的亮點(diǎn)是在前面的基礎(chǔ)上很自然地延伸開(kāi)去，即“由此可以說(shuō)明什么問(wèn)題？”對(duì)學(xué)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(chǎn)生活中的應(yīng)用等。④模型易采集。以貼近學(xué)生生活的小家電為載體，考查學(xué)生的建模能力。這些電器看似距中學(xué)生的課堂很遠(yuǎn)，其實(shí)工作原理簡(jiǎn)單，揭去題目中家用電器名稱(chēng)的外衣，其電路或工作原理很容易與課本基本知識(shí)結(jié)合。⑤落腳在雙基。題目考查基礎(chǔ)知識(shí)的落腳點(diǎn)多是電功、電熱、歐姆定律、效率等主干知識(shí)，基本技能則考查了搜集和處理信息的能力、獲取新知識(shí)的能力、分析和解決問(wèn)題的能力等。

解答此類(lèi)試題的關(guān)鍵點(diǎn)是：①認(rèn)真審題，弄清題目所涉及的相關(guān)原理，正確建模。②通過(guò)審題篩選出與解題相關(guān)的有效信息，依據(jù)相應(yīng)的物理知識(shí)求解。③對(duì)于開(kāi)放性問(wèn)題，要結(jié)合試題情景和其中涉及的物理問(wèn)題提出假設(shè)，在此基礎(chǔ)上的分析才有意義。

二、家用電器的電路與設(shè)計(jì)

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(gè)開(kāi)關(guān)S、S和若干導(dǎo)線，設(shè)計(jì)一個(gè)有低、中、高三擋不同電功率的電取暖器，簡(jiǎn)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(shí)各開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)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(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)，你如何設(shè)計(jì)一個(gè)有四個(gè)擋位的取暖器？畫(huà)出電路圖并說(shuō)明每個(gè)擋位的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)與閉合情況。

解析（1）當(dāng)S閉合，S斷開(kāi)時(shí)，電取暖器位于低擋；

當(dāng)S閉合，S斷開(kāi)時(shí)，電取暖器位于中擋；

當(dāng)S、S均閉合時(shí)，電取暖器位于高擋。

電取暖器位于低擋時(shí)，消耗功率為：

P＝= W=400 W

電取暖器位于中擋時(shí)，消耗功率為：

P＝= W=800 W

電取暖器位于高擋時(shí)，消耗功率為：

P＝P＋P＝1 200 W

（2）設(shè)計(jì)如圖2乙：

說(shuō)明：當(dāng)S閉合，S斷開(kāi)，S接2時(shí)，電取暖器位于一擋；

當(dāng)S閉合，S斷開(kāi)，S接1時(shí)，電取暖器位于二擋；

當(dāng)S閉合，S斷開(kāi)，S接2或1時(shí)，電取暖器位于三擋；

當(dāng)S、S閉合， S接1時(shí)，電取暖器位于四擋。

這類(lèi)題的特點(diǎn)是：電器構(gòu)造簡(jiǎn)單，工作原理淺顯，題目階梯發(fā)展，電路設(shè)計(jì)不難。①電器構(gòu)造簡(jiǎn)單。如例題中的電器只涉及最基本的串并聯(lián)電路，即只有一個(gè)電阻接入或兩個(gè)電阻并聯(lián)后接入，電路簡(jiǎn)單、基礎(chǔ)。②工作原理淺顯。串并聯(lián)電路的基本原理是電學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，這類(lèi)問(wèn)題較易于解答。③題目階梯發(fā)展。命題者多是基于先易后難這一設(shè)計(jì)思路來(lái)逐步加深，步步推進(jìn)的，如本題的第（1）問(wèn)容易，并且第（1）問(wèn)為后面電路的設(shè)計(jì)提供了一種解題思路，有了這個(gè)思路，我們只需在前者的基礎(chǔ)上稍加修補(bǔ)即可。④電路設(shè)計(jì)不難。所謂的電路設(shè)計(jì)，并不是對(duì)前面推倒重來(lái)的完全創(chuàng)新，只不過(guò)是對(duì)基本電路的改進(jìn)或淺加工，所以，設(shè)計(jì)難度不會(huì)太大。

解答此類(lèi)試題的關(guān)鍵點(diǎn)是：①審題要仔細(xì)。仔細(xì)審題是解決問(wèn)題的關(guān)鍵，通過(guò)讀題找出電路中各個(gè)元器件間的關(guān)系及各元器件間的組合種類(lèi)，解題就會(huì)有思路。②原理最重要。電路的設(shè)計(jì)雖不難，但若弄不清物理規(guī)律，解此類(lèi)題目時(shí)就會(huì)一頭霧水而無(wú)從下手。

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

（1）加熱過(guò)程中水吸收的熱量。

（2）電磁爐的加熱效率。

（3）如果用這臺(tái)電磁爐燒開(kāi)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(guó)初中應(yīng)用物理知識(shí)競(jìng)賽預(yù)賽試題）如圖4是一個(gè)電熱器的工作原理圖，電熱器內(nèi)有兩個(gè)阻值分別為R=60 Ω和R=120 Ω的電熱絲；旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)內(nèi)有一塊絕緣圓盤(pán)，在圓盤(pán)的邊緣依次有0，1，2，……9共10個(gè)金屬觸點(diǎn)；可以繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的開(kāi)關(guān)旋鈕兩端各有一個(gè)金屬滑片，轉(zhuǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)旋鈕可以將相鄰的觸點(diǎn)連接。如旋鈕上的箭頭指向圖中位置D時(shí)，金屬滑片將2、3觸點(diǎn)接通，同時(shí)另一端將7、8觸點(diǎn)接通。用這個(gè)旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)電熱器有多擋位工作的要求。請(qǐng)回答：

（1）這個(gè)電熱器可有幾個(gè)不同加熱擋位？并指出每個(gè)加熱擋位旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)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(shí)每個(gè)擋位的功率各是多大。