杜建國　唐　偉

以家用電器為背景命題，其情景對學(xué)生來說既熟悉又新穎，其模型既典型清楚、嚴(yán)謹(jǐn)準(zhǔn)確又簡單易操作。家用電器類題目在全國應(yīng)用物理知識競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)物理知識分析和解決生活和技術(shù)中實(shí)際問題的能力，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，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(yīng)用物理知識競賽復(fù)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(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為壓鍵開關(guān)；ST溫控器是一個(gè)雙金屬片溫控開關(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，從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)溫度開關(guān)控制。

當(dāng)水壺放在底座上時(shí)，就分別壓下壓鍵開關(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。該壺有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作狀態(tài)。當(dāng)鈕子開關(guān)撥到手動(dòng)擋時(shí)，加熱電阻連入，開始加熱，水沸騰以后再將鈕子開關(guān)撥回。當(dāng)鈕子開關(guān)撥到自動(dòng)擋時(shí)，此時(shí)通過ST溫控器將加熱電阻連入，并開始加熱；當(dāng)水沸騰后，ST溫控器的觸點(diǎn)斷開，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，請回答以下問題。

1． 在下列空格中填寫“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)將一滿壺25 ℃的水在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下燒開需時(shí)10 min，請計(jì)算該電水壺的熱效率。已知水的比熱容c=4.2×103 J／（kg?℃）。

3． 通過分析電水壺的電路，說明為什么處于自動(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？由此可以說明什么問題？

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。

這類題的特點(diǎn)是：考查起點(diǎn)低，題干信息多，設(shè)問有階梯，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，實(shí)則考查對電路的認(rèn)識，電路通則燈亮，不通則不亮（當(dāng)通過的電流極其微弱時(shí)，可近似認(rèn)為不通）；第2問考查電熱和效率的計(jì)算；第3問考查對電路的分析即短路、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、頻率及水壺圖片是無效信息，其余則是有效信息。③設(shè)問有階梯。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(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)上很自然地延伸開去，即“由此可以說明什么問題？”對學(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(jié)合。⑤落腳在雙基。題目考查基礎(chǔ)知識的落腳點(diǎn)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(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)的物理知識求解。③對于開放性問題，要結(jié)合試題情景和其中涉及的物理問題提出假設(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)各開關(guān)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(gè)單刀雙擲開關(guān)，你如何設(shè)計(jì)一個(gè)有四個(gè)擋位的取暖器？畫出電路圖并說明每個(gè)擋位的開關(guān)斷開與閉合情況。

解析（1）當(dāng)S閉合，S斷開時(shí)，電取暖器位于低擋；

當(dāng)S閉合，S斷開時(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：

說明：當(dāng)S閉合，S斷開，S接2時(shí)，電取暖器位于一擋；

當(dāng)S閉合，S斷開，S接1時(shí)，電取暖器位于二擋；

當(dāng)S閉合，S斷開，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。

這類題的特點(diǎn)是：電器構(gòu)造簡單，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，這類問題較易于解答。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)思路來逐步加深，步步推進(jìn)的，如本題的第（1）問容易，并且第（1）問為后面電路的設(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)，并不是對前面推倒重來的完全創(chuàng)新，只不過是對基本電路的改進(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)審題是解決問題的關(guān)鍵，通過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，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，解此類題目時(shí)就會(huì)一頭霧水而無從下手。

1. （2008年全國初中物理競賽河南預(yù)賽）河南小剛家買了一個(gè)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(jìn)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(yīng)用物理知識競賽預(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)開關(guān)內(nèi)有一塊絕緣圓盤，在圓盤的邊緣依次有0，1，2，……9共10個(gè)金屬觸點(diǎn)；可以繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的開關(guān)旋鈕兩端各有一個(gè)金屬滑片，轉(zhuǎn)動(dòng)開關(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)開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)電熱器有多擋位工作的要求。請回答：

（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。