19. 如图 16(a) 所示,有一款内置加热装置的家用电暖桌,通电后能给饭菜保温,其内部简化电路如图 16(b) 所示。$ R_{1} $、$ R_{2} $ 和 $ R_{3} $ 均为阻值不变的电热丝,其中 $ R_{2} $ 的阻值为 $ 55 \, \Omega $,$ R_{1} $ 与 $ R_{3} $ 阻值相等,通过旋钮开关 $ S $ 可实现停止工作、高温挡和低温挡的转换,正常工作时低温挡的功率为 $ 440 \, W $。

(1)电暖桌在低温挡正常工作时的电流是多少?
(2)关闭家中其他用电器,只让电暖桌在高温挡正常工作一段时间,发现如图 16(c) 所示的电能表指示灯闪烁了 $ 264 $ 次(每消耗 $ 1 \, kW \cdot h $ 的电能,指示灯闪烁 $ 2000 $ 次),电暖桌的工作时间为多长?
(3)不改变原电路已有的元件位置,想在原电路中再加装一个加热电阻 $ R_{4} $,使低温挡功率变为原来的 $ 1.5 $ 倍,请计算新增的加热电阻 $ R_{4} $ 的阻值大小并说明连接方式。
(1)电暖桌在低温挡正常工作时的电流是多少?
(2)关闭家中其他用电器,只让电暖桌在高温挡正常工作一段时间,发现如图 16(c) 所示的电能表指示灯闪烁了 $ 264 $ 次(每消耗 $ 1 \, kW \cdot h $ 的电能,指示灯闪烁 $ 2000 $ 次),电暖桌的工作时间为多长?
(3)不改变原电路已有的元件位置,想在原电路中再加装一个加热电阻 $ R_{4} $,使低温挡功率变为原来的 $ 1.5 $ 倍,请计算新增的加热电阻 $ R_{4} $ 的阻值大小并说明连接方式。
答案
(1)低温挡电流:由$P=UI$得$I=\frac{P}{U}=\frac{440\,W}{220\,V}=2\,A$。
(2)低温挡总电阻:由$P=\frac{U^{2}}{R}$得$R_{低}=\frac{U^{2}}{P_{低}}=\frac{(220\,V)^{2}}{440\,W}=110\,\Omega$。
因$R_{1}+R_{2}=R_{低}$,$R_{2}=55\,\Omega$,故$R_{1}=R_{低}-R_{2}=110\,\Omega-55\,\Omega=55\,\Omega$,$R_{3}=R_{1}=55\,\Omega$。
高温挡为$R_{1}$单独接入,功率$P_{高}=\frac{U^{2}}{R_{1}}=\frac{(220\,V)^{2}}{55\,\Omega}=880\,W=0.88\,kW$。
电能:$W=\frac{264\,imp}{2000\,imp/(kW·h)}=0.132\,kW·h$。
时间:$t=\frac{W}{P_{高}}=\frac{0.132\,kW·h}{0.88\,kW}=0.15\,h=540\,s$。
(3)新低温挡功率$P_{新}=1.5×440\,W=660\,W$,新总电阻$R_{新}=\frac{U^{2}}{P_{新}}=\frac{(220\,V)^{2}}{660\,W}=\frac{220}{3}\,\Omega$。
原低温挡电阻$R_{低}=110\,\Omega$,设$R_{4}$与$R_{低}$并联,由$\frac{1}{R_{新}}=\frac{1}{R_{低}}+\frac{1}{R_{4}}$得$\frac{1}{R_{4}}=\frac{1}{\frac{220}{3}\,\Omega}-\frac{1}{110\,\Omega}=\frac{3}{220\,\Omega}-\frac{2}{220\,\Omega}=\frac{1}{220\,\Omega}$,故$R_{4}=220\,\Omega$,连接方式为并联。
答案:
(1)$2\,A$;
(2)$540\,s$;
(3)$220\,\Omega$,并联。
(2)低温挡总电阻:由$P=\frac{U^{2}}{R}$得$R_{低}=\frac{U^{2}}{P_{低}}=\frac{(220\,V)^{2}}{440\,W}=110\,\Omega$。
因$R_{1}+R_{2}=R_{低}$,$R_{2}=55\,\Omega$,故$R_{1}=R_{低}-R_{2}=110\,\Omega-55\,\Omega=55\,\Omega$,$R_{3}=R_{1}=55\,\Omega$。
高温挡为$R_{1}$单独接入,功率$P_{高}=\frac{U^{2}}{R_{1}}=\frac{(220\,V)^{2}}{55\,\Omega}=880\,W=0.88\,kW$。
电能:$W=\frac{264\,imp}{2000\,imp/(kW·h)}=0.132\,kW·h$。
时间:$t=\frac{W}{P_{高}}=\frac{0.132\,kW·h}{0.88\,kW}=0.15\,h=540\,s$。
(3)新低温挡功率$P_{新}=1.5×440\,W=660\,W$,新总电阻$R_{新}=\frac{U^{2}}{P_{新}}=\frac{(220\,V)^{2}}{660\,W}=\frac{220}{3}\,\Omega$。
原低温挡电阻$R_{低}=110\,\Omega$,设$R_{4}$与$R_{低}$并联,由$\frac{1}{R_{新}}=\frac{1}{R_{低}}+\frac{1}{R_{4}}$得$\frac{1}{R_{4}}=\frac{1}{\frac{220}{3}\,\Omega}-\frac{1}{110\,\Omega}=\frac{3}{220\,\Omega}-\frac{2}{220\,\Omega}=\frac{1}{220\,\Omega}$,故$R_{4}=220\,\Omega$,连接方式为并联。
答案:
(1)$2\,A$;
(2)$540\,s$;
(3)$220\,\Omega$,并联。
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