电热典型热点考题例析.docx
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电热典型热点考题例析.docx
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电热典型热点考题例析
电热典型热点考题例析
【重点难点提示】
1.电流通过导体时电能要转化成热,这个现象叫做电流的热效应.
2.电流的热效应跟电阻大小的关系:
在电流相同的条件下,电能转化成热时的功率跟导体的电阻成正比.也就是说,在电流相同时,电阻较大的导体在一定时间内产生的热较多.
3.电热的利用和防止
(1)电热的利用:
电热器是利用电来加热的设备.电流通过导体,导体就要发热,电热器就是利用这种现象制成的,电热器工作过程中,消耗的电能转化成热.电热器的主要工作部分是发热体,它是用电阻大、熔点高的金属电阻线绕在绝缘材料上制作的.
(2)防止电热的危害:
用电器中通过电流时产生的热,会使导体的温度升高,使用电器不能正常工作,并且使绝缘材料迅速老化,造成危害.因此在制作和使用电器时要采取有效措施进行散热,以防止电热造成的危害.
【重点难点解析】
1.电流的热效应跟电阻大小的关系
电流通过导体时电能要转化成热.即导体通电要发热.如果电流通过导体电能全部转化为热,电流通过导体消耗电能的功率就等于电能转化为热能的功率.利用电功率公式P=IU和欧姆定律公式I=U/R可得电能转化成热的功率:
P=I2R
这个关系式表明,在电流相同的条件下,电能转化成热时的功率跟导体的电阻成正比.
对于电流通过时电能全部转化为热的用电器.电能转化为热的功率也可表示为:
P=U2/R
这个关系式表明,在电压相同的条件下,电能转化为热时的功率跟导体的电阻成反比.也就是说,在电压相同时,电阻较大的导体在一定时间内产生的热较少.
2.电流通过电热器消耗的电能
电流通过电热器消耗的电能全部转化成热.电热器消耗的电能,即产生的热为:
W=Pt=I2Rt=U2t/R
【典型热点考题】
例1某同学用图如所示的装置研究“电流通过导体时产生的热量与导体电阻大小的关系”.图中两个烧瓶内盛有质量和温度都相同的煤油,温度计显示煤油的温度,两瓶煤油中都浸泡着一段金属丝,铜丝的电阻比镍铬合金丝的电阻小.
(1)闭合开关后,通过两段金属丝的电流是__相等__(选填“相等”或“不相等”)的;
(2)—段时间后,可以观察到A瓶中温度计的示数__小于_(选填“大于”、“等于”或“小于”)B瓶中温度计的示数;
(3)由上述实验可知,在电流和通电时间都相同时,导体电阻越大,产生的热量__越多__.
分析与解答:
由图7-36可以看出,两瓶中的金属丝串联起来接到电源上,电路没有分支,闭合开关后,通过两段金属丝的电流是相等的.电流通过金属丝消耗电能,转化为热被瓶中煤油吸收,使煤油的温度升高,铜丝的电阻小于镍铬合金丝,通电一段时间后,可以观察到A瓶中温度计的示数小于B瓶中温度计的示数.说明在相同时间内电流通过铜丝电能转化成的热小于电流通过镍铬合金丝电能转化成的热.由此可知,在电流和通电时间都相同时,导体电阻越大,产生的热量越多.
点评:
本题考查通过实验探究电流热效应跟电阻大小的关系的能力.解题的关键是:
①记住在课堂上或课下所做该探究实验的现象;②理解探究电流热效应跟电阻大小关系时必须控制电流相等和通电时间相同;③明确该实验是通过观察煤油吸热后温度的升高来获取电流通过金属丝电能转化成热的多少的信息.
例2电熨斗通电后很烫,而连接电熨斗的导线却并不热,这是因为(D)
A.导线有绝缘层保护,能隔热B.导线散热快,所以温度低
C.通过导线的电流小于通过电熨斗的电流D.导线电阻小,产生热量少
分析与解答:
电熨斗是利用电流的热效应制成和工作的.电熨斗的发热体和连接导体串联接在电路中,通过的电流相等,发热体的电阻远大于连接导线的电阻,根据电流的热效应跟电阻大小的关系知,在电流相同的条件下,电阻较大的导体在—定时间内产生的热较多,使得电熨斗很烫,连接导线却不热.
点评:
本题考查运用电流热效应跟电阻大小的关系解释物理现象的能力.理解串联电路各处电流相等和电流相同、通电时间相同时,电能转化成的热跟电阻成正比是解答本题的关键.
例3一把“220V40W”的电烙铁L,接在如图所示的220V的电路中,当开关S闭合时,电烙铁L可以正常使用.当电烙铁暂时不用时,为了避免电烙铁过热,可把开关S断开,将电阻R串联在电路中,此时电烙铁L的实际功率为14.4W,问串联电阻R的阻值应为多少?
(设电烙铁的电阻不随温度变化)(最后结果请保留整数位)
分析与解答:
S闭合,电阻R短路,电烙铁直接接在电源上,两端电压等于额定电压,正常工作,实际功率等于额定功率.电烙铁的电阻:
RL=U额2/P额=(220V)2/40W=1210Ω
S断开时,电烙铁L和电阻R串联接在电源上,电烙铁两端电压小于额定电压,实际功率小于额定功率.处于保温状态.此时电路中的电流为I,则有:
PL=I2RL14.4W=I2×1210ΩI=0.11A
电烙铁两端电压:
UL=IRL=0.11A×l210Ω=133.1V
电阻R两端电压:
UR=U-UL=220V-133.3V=86.9V
电阻R的阻值为:
R=UR/I=86.9V/0.11A=790Ω
点评:
本题考查运用电流热效应和电阻大小关系解答实际电路的能力.理解串联电路的电流特点和电压特点.理解电路中开关的作用是解答本题的关键.
例4饮水机是—种常见的家用电器.其工作原理可简化为如图所示的电路,其中S是一个温控开关,R1为发热板,当饮水机处于加热状态时,水被迅速加热,达到预定温度时,开关S自动切换到另—档,饮水机便处于保温状态.
(1)试确定温控开关S接a或b时,饮水机分别对应的工作状态.
解:
当温控开关S接a时,发热板R1和电阻R2,串联接在电压为U=220V的电路中,发热板R1的发热功率为:
P1=U12/R1
当温控开关S接b时,发热板R1单独接在U=220V的电路中,发热板R1的发热功率为:
P1ˊ=U1ˊ2/R1
很明显,U1 (2)若饮水机加热时发热板的功率为550W,而保温时发热板的功率为88W,求电阻R2的阻值(不考虑温度对阻值的影响). 解: 饮水机加热时,发热板的功率: P1ˊ=550W, 发热板的电阻为: R1=U1ˊ2/P1ˊ=U2/P1ˊ=(220V)2/550W=88Ω 因发热板的电阻不变,根据P=U2/R可知,发热板的实际功率与电压的平方成正比,饮水机处于保温、加热状态时发热板的功率之比为: P1/P1ˊ=U12/U1ˊ2即88W/550W=U12/(220V)2 饮水机处于保温状态时发热板两端电压: U1=88V 电阻R2两端电压: U2=U-U1ˊ=220V-88V=132V 饮水机处于保温状态时,发热板R1和电阻R2串联,电流相等,两端的电压和电阻成正比.发热板R1和电阻R2两端的电压之比为: U1/U2=R1/R2即88V/132V=88Ω/R2R2=132Ω 点评: 本题考查综合运用欧姆定律、电功率公式和串联电路的特点解决实用简单电路的能力.饮水机是众多家庭都有的家用电器,通过解答本题,可以更好地理解电热饮水机的工作原理. 例5如图是某节能型家用电饭锅(甲图)及简化的电路图(乙图).当S1、S2都闭合时,R1、R2两个发热体同时给锅加热,处于高温加热状态,当只闭合S1时,处于低温保温状态.已知家庭电路电压为220V,R2工作时的阻值为88Ω,电饭锅低温保温状态时的功率为40W.试求: (1)高温加热状态时,通过R2的电流是多少安? 解: 电饭锅处于高温加热状态时,S1和S2都闭合,R1和R2并联接在家庭电路上.发热体R2中的电流: I2=U/R2=220V/88Ω=2.5A (2)低温保温状态时,R1的阻值是多少欧? 解: 电饭锅处于低温保温状态时,只有S1闭合,发热体R1单独接在家庭电路中,根据P=U2/R可得发热体R1的阻值为: R1=U2/P1=(220V)2/40W=1210Ω (3)如果做—次米饭(高温加热状态)用30min则消耗多少电能? 解: 电饭锅处于高温加热状态时,发热体R1的功率为: P1=40W, 发热体R2的发热功率为: P2=U2/R2=(220V)2/88Ω=550W 电饭锅的发热功率为: P=P1+P2=40W+550W=590W 电饭锅30min消耗的电能为: W=Pt=0.59kW×0.5h=0.295kW.h 点评: 本题考查综合运用电功率公式、欧姆定律和并联电路特点分析解决实用电路的能力.通过解答本题,加深对家庭电路中家用电器并联连接的优点的认识和理解,同时也使我们认识到两个发热体连接到家庭电路中,根据实际需求可以有不同的组合方式. 例6现有两根完全相同的电热丝(元件符号是 ),电阻值均为60.5Ω,一个单刀单掷开关,—个单刀双掷开关(元件符号 ),电源电压220V,导线若干. (1)请用给出的电阻,画出所有阻值不同的连接方式. 答: 两根完全相同的电热丝连接到电源上的组合方式共有三种.如上右图所示. (2)在绿色证书教育活动中,某学生科技小组征集为养鸡场孵化室设计一个调温电路的方案,要求: 用题中给出的电阻和开关设计一个调温电路,要有尽可能多挡位的调温功能,在虚线框内画出你所设计的电路图(其中电源已给出). 答: 利用—个单刀双掷开关和一个单刀单掷开关可以方便地改变两根电热丝的组合方式.图A和B所示的电路图就是具有三个挡位调温功能的电路. (3)请计算你所设计的电路中各挡位的发热功率是多少瓦. 解: ①S1打开,S2接a,两根电热丝串联接在电源上,调温电路处于低温档.每根电热丝两端电压均为电源电压的一半,等于110V,其发热功率为: P=UR2/R=(110V)2/60.5Ω=200W.电路的发热功率等于两根电热丝的功率之和,为: P低=200W+200W=400W. ②S1打开,S2接b,只有一根电热丝单独接在电源上,调温电路处于中温挡,电路的发热功率为: P中=U2/R=(220V)2/60.5Ω=800W. ③S1闭合,S2接b,两根电热丝并联接在电源上,调温电路处于高温档,每根电热丝的发热功率: P=U2/R=(220V)2/60.5Ω=800W,电路的发热功率等于两根电热丝的功率之和,为: P高=800W+800W=1600W. 当S1闭合,S2接a时,电源短路.这是十分危险的,使用电路时必须注意这种情况不能发生. 点评: 这是一道创新与开放题.考查综合运用学过的电路知识进行创新和设计电路的能力.解答此类题目需要对所学的知识进行一定的综合和重组,需要有一定的知识迁移能力和创新能力.平时学习过程中要加强这方面的练习. 例7如图所示的电路是家用电饭锅工作原理图.当开关S闭合时为加热状态,当开关S断开时为保温状态,已知加热时的电功率为800W,保温时的电功率为100W,设R1、R2的阻值不随温度发生变化.请你根据以上已知条件,参照提供的范例设计四个电学计算问题,并分别解答. [范例] 求加热时的电流: I=P/U=800W/220V=3.64A 分析与解答: 由图可知,S闭合时,R1被短路,只有R2接在电源上,电饭锅处于加热状态;S断开时,R1和R2串联接在电源上,电饭锅处于保温状态. 问题1: 求电阻R2。 解答: R2=U2/P=(220V)2/800W=60.5Ω 问题2: 求开关S断开时电路中的电流I′。 解答: Iˊ=Pˊ/U=100W/220V=0.45A 问题3: 求开关S断开时R2两端的电压U2。 解答: U2=IˊR2=0.45A×60.5Ω=27.2V 问题4: 求开关S断开时R2的电功率P2。 解答: P2=Iˊ2R2=(0.45A)2×60.5Ω=12.3W 除此之外,还可提出求S断开时R1两端的电压U1和R1的电功率P1以及电阻及R1等问题进行解答. 点评: 本题是一道开放性题目.考查提出问题和解决问题的能力.学习物理过程中,必须善于发现问题和提出问题.解答本题时,设计问题应根据开关闭合、断开电路结构发生改变的特点,从R1和R2组成的串联电路的电流、电压、电阻和电功率等物理量展开. 例8、电磁炉是一种新型灶具,如图所示是电磁炉的原理图: 炉子的内部有一个金属线圈,当电流通过线圈时会产生磁场,这个变化的磁场又会引起电磁炉上面的铁质锅底内产生感应电流(即涡流),涡流使锅体铁分子高速无规则热运动,分子互相碰撞、摩擦而产生热能,从而迅速使锅体及食物的温度升高。 所以电磁炉煮食的热源来自于锅具本身,而不是电磁炉本身发热传导给锅具,它是完全区别于传统的靠热传导来加热食物的厨具。 请问: (1)电磁炉与普通的电炉相比,谁的热效率更高? 为什么? 答: 电磁炉的热效率更高。 因为电磁炉是利用锅体本身发热来加热食物,没有炉具向锅体传热的过程,热散失少,所以电磁炉的热效率更高。 (2)某同学用功率为2000W的电磁炉,将1㎏初温为25℃的水加热到100℃,需要的时间为2分55秒,则消耗的电能是多少? 电磁炉的热效率是多少? [水的比热容为4.2×103J/(kg﹒℃)] 解: 消耗的电能W=Pt=2000W×175s=3.5×105J 水吸收的热量Q吸=cm水(t-t0)=4.2×103J/(kg.℃)×1kg×(100℃-25℃)=3.15×105J 电磁炉的热效率η=Q吸/W=3.15×105J/3.5×105J=90% 例9、如图甲所示的是一种WSH—50型号家用饮水机及铭牌,图乙是饮水机的电路图。 (1)在下列空格中填写“亮”或“不亮”。 当温控开关1、2都闭合时,加热管正常工作,红灯亮,绿灯不亮;当水沸腾后,温控开关1、2都断开,加热管不工作,其中R红远远小于R绿,则红灯不亮,绿灯亮。 (2)现将质量为0.5Kg,初温20℃的水在标准大气压下烧开需用时6min,请计算水所吸收的热量[水的比热容为4.2×103J/(kg·℃)]. 解: Q吸=cm(t-t0)=4.2×103J/(kg·℃)×0.5kg×(100℃-20℃)=1.68×105J (3)求饮水机正常工作6min消耗的电能。 解: W=Pt=500W×360s=1.8×105J (4)比较 (2)、(3)的计算结果你能发现什么问题,并解释原因。 答: 从 (2)、(3)的计算结果发现饮水机正常工作6min消耗的电能大于这段时间饮水机吸收的热量;电能没有全部转化为内能,存在热散失。 规律总结: 解这类型题要求: (1)正确分析电路的连接方式; (2)熟练掌握电功、电热、物体吸热或放热、热效率的计算公式和方法; (3)注意有些情况是电能全部转化为热能,有些情况不是。 针对具体情况选用正确的公式。 【易错例题分析】 例1现有甲、乙两只电炉,已知电炉电阻R甲>R乙,分别接入电源电压为220V的电路中,在相同的时间内,它们的放热情况是(B) A.甲放热多B.乙放热多C.同样多D.无法判断 错解一: 根据W=Pt和P=I2R得电炉通电时电能转化成的热为: W=I2Rt,因为R甲>R乙,所以W甲>W乙,选项A正确. 错解二: 根据W=Pt和P=UI得电炉通电时电能转化成的热为: W=UIt,虽然U甲=U乙=U=220V,但I甲和I乙不知道,因而无法比较两只电炉在相同时间内的放热情况.选项D正确. 警示: 电炉是利用电流热效应制作和工作的.工作过程中电炉消耗的电能全部转化成热.电炉通电时放出的热等于电炉消耗的电能.W=Pt=I2Rt=U2t/R.由于甲、乙两只电炉工作时两端电压相等,因此可利用公式W=U2t/R比较在相同时间内放热的多少. 正解: 因为甲、乙两只电炉通电时间相同,工作电压相等,电阻R甲>R乙,根据W=U2t/R可知W甲 点评: 本题考查利用电流的热效应跟电阻大小的关系分析判断电路问题的能力.解题时必须理解: ①电炉是把电能全部转化成热的用电器,电炉通电放的热等于电炉消耗的电能;②利用W=I2Rt比较甲、乙电炉放热情况时,若电流I和通电时间t都相同,电阻大的放热多;利用W=U2t/R比较甲、乙两只电炉放热情况时,如果电压U和通电时间t都相同,电阻小的放热多. 例2李刚同学想利用两根阻值分别为R1、R2(R1>R2)的电阻丝制作一个电热器.要使同质量的水升高相同温度所用时间最短,下列四种设计方案中,哪种方案最可行(A) A.两根电阻丝并联B.两根电阻丝串联 C.单独用电阻为 的电阻丝D.单独用电阻为 的电阻丝 错解: 根据W=Pt=I2Rt可知,在W和I一定的情况下,t与R成反比.因此电路中电阻越大,加热所用时间越短.两根电阻丝串联时电路电阻最大,加热所用时间最短.选项B正确. 警示: 电热器通电加热水时,消耗的电能全部转化成热.电热器通电产生的热等于所消耗的电能,即W=Pt=I2Rt=U2t/R.当电热器两端电压U和产生的热W一定时,通电时间t和电阻R成正比.电路的电阻最小时,所用时间最短. 正解: 用电热器加热水时,电流通过电热器电能转化为的热被水吸收,使水的温度升高.一定质量的水升高一定的温度所需要的热是—定的.根据W=U2t/R可知,电热器接入电压恒定不变的电路中产生一定的热,电阻越小,所用时间越短.两根电阻丝并联时电路中电阻最小,加热所用时间最短.选项A正确. 点评: 本题考查利用电流的热效应跟电阻大小的关系分析解决实际问题的能力.解题的关键是: ①挖掘和发现题目中的隐含条件: —是同质量的水,升高相同温度吸收的热相同,即不同的电热器通电发热消耗的电能相同.二是不同电热器连入电路中两端的电压相同,即供电的电源的电压是相同的.②理解电热器加热水所用时间,和电阻R成正比是有条件的,即产生的热W和电压U是一定的;电热器加热水所用时间t和电阻R成反比也是有条件的,即产生的热W和电流I是一定的. 【拓展演练】 1.小明的新家想安装一台无水箱式电热水器,这种电热水器当有冷水流过它时,就能达到要求的温度而立即从喷头流出供淋浴。 已知冷水温度为15℃,淋浴所需热水温度为40℃,电热水器一分钟流出热水的质量约为4Kg,水的比热容为4.2×103J/(Kg·℃). (1)将质量为4Kg温度为15℃的冷水,加热到淋浴所需要的温度,水吸收的热量是多少? 解: 水吸收的热量: Q=cm(t2-t1)=4.2×103J/(kg·℃)×4kg×25℃=4.2×105J (2)如果不考虑热损失,无箱式热水器的电功率至少多大才能满足淋浴的要求? 解: W=QP=W/t=(4.2×105J)/60s=7×103W (3)小明新家的电路允许通过的最大电流为30A,问他家能不能使用该电热水器? 答: 电热水器正常工作的电流: I=P/U=7000W/220V≈31.8A>30A,所以,小明家不宜安装这种热水器。 2.“5·12”坟川大地震发生后,常州常发集团向灾区人民捐赠一批柴油发电机.这种柴油发电机的工作原理为: 以风冷四冲程直喷式柴油机为动力系统,带动发电机发电,该柴油发电机说明书的部分内容如表所示.现在用一台该型号的柴油发电机给灾民临时安置区供电,如图所示.发电机到安置区的距离是400m,输电线路中的火线和零线均为GBCZ60型单股铜导线,该型导线单位长度的电阻为2.5×10-4Ω/m.安置区家用电器的总功率为44kW,当这些家用电器都正常工作时,求: 型号 AED6500S 最大输出功率 60kW 输出电压范围 220V-330V (1)输电线路中的电流多大? 解: 安置区的电流: I0=P0/U0=4.4×104w/200V=200A输电线路中的电流: I线=I0=200A (2)输电线路损失的电功率多大? 解: 线路电阻: R线=800×2.5×10-4Ω=0.2Ω 线路损失的电功率: P线=I线2R线=(200A)2×0.2Ω=8×103W (3)发电机实际输出电压多大? 解: 线路两端电压: U线=I线R线=200A×0.2Ω=40V 发电机实际输出的电压: U实=U线+U0=(40V+220V)=260V (4)该柴油发电机工作过程中,每小时消耗18kg柴油,柴油完全燃烧产生的内能转化为发电机输出电能的效率是多少? (柴油热值是3.3×107J/kg) 解: 18kg柴油完全燃烧产生的热量: Q=mq=18kg×3.3×107J/kg=5.94×108J 发电机每小时输出的电能: W=UIt=260V×200A×3600S=1.872×108J 效率: η=W/Q=1.872×108J/5.94×108J=31.5℅ 3.如图是一个加热、保温电路的一部分。 电热丝R1规格为“220V1100W”,限流电阻R2=506Ω。 电路的工作原理是: 当温控开关S接a时,电热丝R1接入电路,电路处于加热状态;当达到一定温度时,温控开关S自动从a切换到b,电路处于保温状态。 正常工作时,加热功率1100W,保温功率88W(电源电压保持不变,电阻不随温度变化)。 (1)请你按照上述原理,对上图进行连线,使它成为完整的电路图; 解: 如上右图所示 (2)某天在使用 (1)中已经连接完整的电路时,R1烧毁了。 有人想使电路恢复正常工作,设计了下面方案。 请通过计算、分析,对两个方案作出评价: 方案一: 用“220V220W”电热丝R3、“220V880W”电热丝R4串联替代R1; 解: R3=U2/P3=(220V)2/220W=220Ω同理R4=55Ω R3、R4串联后: 加热时: P串=U2/(R3+R4)=(220V)2/(220Ω+55Ω)=176W<1100W 保温时: P′串=U2/(R3+R4+R2)=(220V)2/(220Ω+55Ω+506Ω)≈62.0W<88W 两项都不合题意要求,方案一不可行。 方案二: 用两根都是“220V550W”的电热丝R5并联替代Rl 解: R1=U2/P1=(220V)2/1100W=44Ω,同理R5=88Ω。 两根电热丝R5并联后总电阻值是44Ω,能替代R1,加热时功率为1100W;保温时功率为88W。 正常工作时,两项都合要求。 但是,当其中一根电热丝烧坏时,电路仍可以工作。 加热时: R5正常工作,P=550W<1100W 保温时: P′′=U2/(R2+R5)=(220V)2/(506Ω+88Ω)≈81.5W<88W 断了一根电热丝后,两项都不合要求,而且不能及时发现加以排除。 可见方案二不是最佳的。 (3)请你选用下表所提供的电热丝,再设计一个方案,使 (2)中损坏的电路恢复正常工作,并说明设计理由。 电热丝: 符号 R6 R7 R8 R9 规格 220V500W 220V600W 220V2200W 110V550W 数量 1 1 2 3 解: 设计如下: 将两根“110V550W”电热丝R9串联替代R1 理由: 一个电热丝的电阻值为R9 R9=U2/P=(110V)2/550W=22ΩI额=550W/110V=5AI额原=1100W/220V=5A 两根电热丝串联后总阻值是44Ω,额定电流也符合要求,接在220V电压下能正常工作,能完全等效替代R1,符合题意要求。 4.小明家新购置了一台电热水器,电热水器的铭牌如图甲所示。 若自来水的温度是20℃,加满水后,小明将温控开关调到如图乙所示的位置。 接通电源,加热指示灯亮;达到设定温度时,加热指示灯熄灭。 请你帮助小明解答下列问题: (1)加热指示灯从亮到灭的过程中,热水器中的水一共吸收多少热量? 解: 热水器吸收的热量为: Q吸=C水m水(t2-t1)=4.2×103J/(kg.℃)×103kg/m3×50×10-3m3×(60℃-20℃)=8.4×10
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