摘 要：利用物理課上所學(xué)的電學(xué)知識(shí)維修了家庭自用電水壺，通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了電水壺加熱的效率，并對(duì)測(cè)量結(jié)果及相關(guān)知識(shí)進(jìn)行了討論。
　　關(guān)鍵詞：電水壺；維修；熱效率；測(cè)量
　　
　　一、問(wèn)題提出
　　泡咖啡、泡茶、泡面、喝剛燒好的新鮮開(kāi)水，這些都是現(xiàn)代都市人的生活習(xí)慣?？焖匐娝畨啬茉谧疃痰臅r(shí)間內(nèi)提供沸水，這正好與現(xiàn)代人的生活節(jié)奏合拍。電水壺隨時(shí)可以用熱水泡出一杯清香的茶水。
　　有一次電水壺突然出現(xiàn)故障，不能正常燒水了。我決定利用物理課上所學(xué)的電路知識(shí)解決此問(wèn)題。通過(guò)做實(shí)驗(yàn)的方法，深刻理解電能轉(zhuǎn)化為熱能的有關(guān)問(wèn)題，利用此電水壺測(cè)量了它加熱的效率，并鞏固了課上所學(xué)的萬(wàn)用表的使用、電能—熱能轉(zhuǎn)換等相關(guān)的知識(shí)。
　　二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br/>　　1．掌握實(shí)物（電水壺）簡(jiǎn)易電路圖的繪制方法
　　2．掌握數(shù)字萬(wàn)用表的測(cè)量原理，正確使用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量電阻、電流和電壓
　　3．掌握電能—熱能轉(zhuǎn)換的原理，學(xué)會(huì)測(cè)量電器的熱效率
　　4．學(xué)會(huì)多次測(cè)量的結(jié)果表示方法，分析單次測(cè)量和多次測(cè)量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響
　　5．培養(yǎng)利用課本所學(xué)的知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力
　　三、實(shí)驗(yàn)原理
　　1．電水壺的工作原理
　　當(dāng)水壺放在底座上時(shí)，壓下壓鍵開(kāi)關(guān)，接通了電路。如果三相插頭插入插線板后，就接通了電源，電源指示燈亮，反之就斷開(kāi)。
　　該電水壺有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作狀態(tài)。當(dāng)按鈕開(kāi)關(guān)撥到手動(dòng)擋時(shí)，加熱電阻連入，開(kāi)始加熱，水沸騰以后再手動(dòng)將按鈕開(kāi)關(guān)撥回。當(dāng)按鈕開(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)入非加熱狀態(tài)，指示為可以飲用的開(kāi)水的燈亮；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)。
　　通過(guò)分析討論電水壺的工作原理，畫(huà)出電路圖，在此基礎(chǔ)上利用數(shù)字萬(wàn)用表查找問(wèn)題，進(jìn)行維修。
　　2．電能—熱能轉(zhuǎn)換
　　通過(guò)電動(dòng)機(jī)可以將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，電燈將電能轉(zhuǎn)換為熱能和光能，電熱器、電水壺可以將電能轉(zhuǎn)換為熱能等等。電流做功的過(guò)程，實(shí)際上是電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的過(guò)程。電流做了多少功，就有多少電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。
　　本文以電水壺為例，推導(dǎo)電能—熱能轉(zhuǎn)換過(guò)程中的有關(guān)計(jì)算，并以此為原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量電水壺工作的效率。對(duì)于其他電器可以同理進(jìn)行研究。
　　計(jì)算電水壺加熱器的電阻R
　　計(jì)算水所吸收的熱量Q吸
　　水的質(zhì)量：m=V·ρ
　　式中，V——水的體積，ρ——水的密度。
　　Q吸=C水·m·ΔT=C水·m·（T2-T1）
　　式中，C水——水的比熱容，ΔT——水加熱后的溫T2度與水初溫T1之差。
　　計(jì)算電水壺工作的效率η
　　利用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)得電源的實(shí)際電壓U實(shí)，計(jì)算電水壺的實(shí)際功率P實(shí)
　　則，電水壺工作的效率為
　　η=Q/W=Q/（P實(shí)t）
　　四、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備
　　WSJ-60型電水壺（額定電壓：220 V，50 Hz，額定功率：600 W，容量：1.2 L），插線板，UT51數(shù)字萬(wàn)用表，導(dǎo)線，溫度計(jì)，量筒（500mL）。
　　五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及原始數(shù)據(jù)
　　1．繪制電水壺的電路圖
　　按照電水壺正常使用的工作原理，畫(huà)出電水壺的電路圖，如圖1。其中，L1為電源指示燈、L2為非加熱指示燈、L3為加熱指示燈，R1、R2、R3分別為各指示燈的保護(hù)電阻；R為加熱器；S1、S2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。
　　用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量R1、R2、R3，其大小約為340 kΩ；加熱器R的電阻約為90 Ω。
　　2．電水壺故障診斷維修
　　故障：通電后不加熱，但指示燈亮。
　　診斷與維修：通電后電源指示燈亮，說(shuō)明電源已加入指示燈電路；通電后不加熱，說(shuō)明故障在加熱器或其連接部分，常見(jiàn)加熱器損壞或者某連接處斷路。
　　拆下加熱器，用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量其阻值可以判斷加熱器是否損壞；斷路的問(wèn)題也可以用數(shù)字萬(wàn)用表來(lái)解決，通過(guò)測(cè)量電流來(lái)檢查斷路的位置。
　　首先切斷電源，取下水壺，將電水壺底座翻過(guò)來(lái)，擰下壺底的兩顆固定螺釘，將底座拆開(kāi)。然后使用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量加熱器的阻值來(lái)判斷加熱器是否損壞，經(jīng)過(guò)測(cè)量加熱器未損壞，其電阻值約90 Ω。最后，沿著電路，用萬(wàn)用表逐段測(cè)量電流，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一段電路電流為零，發(fā)生了斷路。仔細(xì)檢查這一段電路，發(fā)現(xiàn)金屬片旁邊的塑料斷裂，金屬片不能被卡緊，導(dǎo)致金屬片與其兩端的連接發(fā)生問(wèn)題，引起斷路。找了兩段導(dǎo)線將此金屬片兩端分別與連接的部件連接良好。維修完畢重新裝配時(shí)，必須保持各零部件安裝位置準(zhǔn)確。
　　電水壺通電后使用正常。
　　3．測(cè)量電水壺加熱的效率
　　記錄電水壺銘牌：額定電壓220 V，50 Hz，額定功率600 W，容量：1.2 L。
　　使用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量加熱器的阻值為：R測(cè)=90 Ω
　　每次實(shí)驗(yàn)前，用萬(wàn)用表測(cè)量電源的實(shí)際電壓U實(shí)，每次實(shí)驗(yàn)時(shí)，用500 mL量筒定量量取1 L水加入到電水壺中，用溫度計(jì)測(cè)量水的初始溫度T1；接通電源開(kāi)始加熱；水沸騰后，ST溫控器的觸點(diǎn)斷開(kāi)，停止加熱，試驗(yàn)結(jié)束，此時(shí)水的溫度T2=100℃，記錄所用的時(shí)間t。
　　六、數(shù)據(jù)處理及結(jié)論
　　根據(jù)P額=U額2/R，得：R計(jì)算=U額2/P額=80.67 Ω
　　實(shí)測(cè)電阻值與理論計(jì)算值之間有一定的誤差。以下數(shù)據(jù)處理過(guò)程中均采用R計(jì)算=80.67 Ω。
　　每次試驗(yàn)水的質(zhì)量為：m=V·ρ=2×500×10-3×1.0=1.0 kg
　　水的比熱容C水=4.2×103J/（kg·℃）
　　5次測(cè)量電水壺?zé)嵝实钠骄禐椋?br/>　　七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與討論
　　1．電水壺?zé)崃繐p失的原因
　　電水壺可以將電能轉(zhuǎn)換為熱能，本實(shí)驗(yàn)測(cè)量電水壺?zé)^(guò)程中實(shí)際的能量轉(zhuǎn)化效率，結(jié)果只有85.75%左右，說(shuō)明電水壺產(chǎn)生的熱量沒(méi)有全部被水吸收，分析熱量損失的原因有以下幾個(gè)方面。
　?。?）電水壺壺體材質(zhì)是合金，導(dǎo)熱效果好，易吸收熱量并使熱量散失，對(duì)電水壺的實(shí)際加熱效果產(chǎn)生影響，導(dǎo)致熱效率測(cè)量的結(jié)果偏低；
　?。?）周圍空氣吸收了一部分熱量；
　?。?）汽化帶走了一部分熱量；
　?。?）電水壺內(nèi)水垢阻礙熱傳遞，致使熱效率測(cè)量的結(jié)果偏低；
　　（5）用電高峰時(shí)家庭電路的實(shí)際電壓低于220 V，電水壺實(shí)際工作電壓小于額定電壓。
　　2．測(cè)量結(jié)果的表示方法
　　水的溫度不同，造成量取1 L體積的水的質(zhì)量有誤差，因此，各次測(cè)量結(jié)果之間有誤差。方法的精密度可以5次測(cè)量結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)表示，RSD為0.5%。
　　用多次測(cè)量的平均值及其置信區(qū)間表示結(jié)果，比用單次測(cè)量值表示結(jié)果更準(zhǔn)確。
　　3．電水壺是我們熟悉的家用電器，根據(jù)電水壺的結(jié)構(gòu)和使用情況，可以聯(lián)想到以下幾方面物理知識(shí)
　?。?）壺身和壺嘴上部開(kāi)口，下部相連，構(gòu)成連通器；
　?。?）壺蓋開(kāi)有小孔，在大氣壓的作用下，水容易倒出；
　?。?）電水壺使用三相電源插頭的理由是防觸電；
　?。?）壺把加裝膠木，是因?yàn)槟z木具有良好的隔熱、絕緣性能。
　　4.結(jié)論
　　根據(jù)P實(shí)=U2實(shí)/R計(jì)算電能做的總功W時(shí)，如果利用萬(wàn)用表測(cè)定的電阻值R測(cè)=90 Ω，這種情況下電水壺工作效率（95.68%）比采用R計(jì)算=80.67 Ω時(shí)計(jì)算的效率（85.75%）高。
　　當(dāng)然，電能做的總功W還可以采用電表讀數(shù)的方法，讀出在水燒開(kāi)的時(shí)間內(nèi)所耗的電量是多少度，再轉(zhuǎn)換成“焦耳”為單位的量，從而計(jì)算電水壺的工作效率。
　?。ㄗ髡邌挝?北京人大附中分校）