Question

2．如图1为某同学设计的电热水器的原理图，该电热水器具有加热、保温功能．图1中电磁继电器（线圈电阻不计）、热敏电阻R、保护电阻R₀、电压恒为6V的电源U₁、导线等组成控制电路．当电磁铁线圈中的电流I＜10mA时，继电器上方触点和触点c接通；当电磁铁线圈中的电流I≥10mA时，电磁铁的衔铁被吸下，继电器下方触点和触点a、b接通．热敏电阻中允许通过的最大电流I₀=15mA，其电阻R随温度变化的规律如图2，热敏电阻和加热电路中的三只电阻R₁、R₂、R₃均置于储水箱中．已知R₁=33Ω、R₂=66Ω、R₃=154Ω、U₂=220V．
（1）衔铁被吸下时，电热水器处于加热（选填“加热”或“保温”）状态；
（2）保温状态下，热水器加热电路产生的热量只有20%能被热水器内的水吸收，求在该状态下10分钟内水吸收的热量；
（3）为使控制电路正常工作，保护电阻R₀的阻值至少为多大？若R₀为该值，衔铁刚好被吸下时储水箱中水温是多少？

Answer 1

分析 （1）由电路图知：衔铁被吸下，继电器下方触点和触点a、b接通时，加热电路中电阻最小，由P=$\frac{{U}^{2}}{R}$可知电路功率最大，处于加热状态；
当继电器上方触点和触点c接通时，加热电路电阻较大，由P=$\frac{{U}^{2}}{R}$可知电路功率较小，电路处于保温状态；
（2）先由功率公式P=$\frac{{U}^{2}}{R}$求出加热电路在保温状态下10min内电路产生的热量，然后根据题意求出水吸收的热量；
（3）由热敏电阻的R-t图象找出热敏电阻的最小阻值，此时电路电流最大，根据电路的最大电流求出控制电路保护电阻R₀的最小阻值，这是控制电路正常工作的最小阻值；求出衔铁刚好被吸下时热敏电阻的阻值，然后由图象找出该阻值对应的温度，这就是储水箱中水的温度．

解答 解：（1）由电路图知：衔铁被吸下时，R₁、R₂并联，根据并联电阻的总电阻小于其中任一电阻，由P=$\frac{{U}^{2}}{R}$，电功率最大，为加热状态；
（2）由电路图知，保温状态下：R₂、R₃串联，
10min加热电路产生的热量Q=$\frac{{U}^{2}}{{R}_{2}{+R}_{3}}$t=$\frac{（220V）^{2}}{66Ω+154Ω}$×600s=1.32×10⁵J，
10分钟内水只收的热量Q′=Q×η=1.32×10⁵J×20%=2.64×10⁴J；
（3）由图乙可知，热敏电阻的最小值是R=200Ω，
当R最小，控制电路中的电流不超过最大值时，保护电阻R₀阻值最小，
由I₀=$\frac{{U}_{1}}{R{+R}_{0}}$得：保护电阻R₀的最小值R₀=$\frac{{U}_{1}}{{I}_{0}}$-R=$\frac{6V}{0.015A}$-200Ω=200Ω，
由题意知，衔铁刚好被吸下时，电路电流I=10mA=0.01A，
此时电流总电阻R_总=$\frac{{U}_{1}}{I}$=$\frac{6V}{0.01A}$=600Ω，
此时热敏电阻R=R_总-R₀=600Ω-200Ω=400Ω，
由图2可知，此时水温为60℃．
答：（1）加热；
（2）10分钟内水只收的热量为2.64×10⁴J；
（3）保护电阻R₀的阻值至少为200Ω，
衔铁刚好被吸下时储水箱中水温是60℃．

点评 本题考查了求加热电路处于加热状态时的电阻、10分钟热水器散失的热量、保护电阻的最小阻值、水的温度等问题，考查的内容较多；分析清楚电路结构是本题正确解题的前提与关键；要正确解题，需要熟练掌握并联电路的特点、电功公式、欧姆定律等知识．为压轴题．