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5. 图甲是芳芳家某型号电热加湿器的原理图，图丙为其部分技术参数。$R_1$、$R_2$为发热电阻，不考虑温度对电阻的影响，且$R_2=3R_1$，S为旋转型开关。1、2、3、4为触点，通过旋转开关S可实现“关”“低挡”“高挡”之间的切换（低挡为小功率加热，高挡为大功率加热）。
(1)求加湿器处于低挡时的发热功率。
(2)某次工作时，加湿器注水仓中加注冷水已达到最大注水量。图乙是该次使用加湿器工作30 min的图像，请计算加湿器在高挡正常工作时消耗的电能。若加湿器在此次高挡加热时产生的热量全部被水吸收，则可以使注水仓中冷水的温度升高多少？[计算结果保留整数，水的比热容为$4.2×10^3\ \mathrm{J}/(\mathrm{kg}·°\mathrm{C})$]
(1)求加湿器处于低挡时的发热功率。
(2)某次工作时，加湿器注水仓中加注冷水已达到最大注水量。图乙是该次使用加湿器工作30 min的图像，请计算加湿器在高挡正常工作时消耗的电能。若加湿器在此次高挡加热时产生的热量全部被水吸收，则可以使注水仓中冷水的温度升高多少？[计算结果保留整数，水的比热容为$4.2×10^3\ \mathrm{J}/(\mathrm{kg}·°\mathrm{C})$]
答案
解:(1)由题图甲可知,开关S接1、2触点时,电路断路;开关S接2、3触点时两电阻串联;开关S接3、4触点时只有$R_1$接入电路。电源电压一定,由$P=\frac{U^2}{R}$可知,开关S接2、3触点时总电阻最大,总电功率最小,为低挡;开关S接3、4触点时总电阻最小,总电功率最大,为高挡。由表格数据可知,高挡电功率$P_\mathrm{高}=400\ \mathrm{W}$,由$P=\frac{U^2}{R}$可得 $R_1=\frac{U^2}{P_\mathrm{高}}=\frac{(220\ \mathrm{V})^2}{400\ \mathrm{W}}=121\ \Omega$。
由题意可知,$R_2=3R_1$,则低挡的发热功率
$P_\mathrm{低}=\frac{U^2}{R_1+R_2}=\frac{U^2}{4R_1}=\frac{(220\ \mathrm{V})^2}{4×121\ \Omega}=100\ \mathrm{W}$。
(2)由题图乙可知,加湿器工作30 min,其中高挡工作时间为10 min,低挡工作时间为20 min,则在高挡正常工作时消耗的电能$W_\mathrm{高}=P_\mathrm{高}t_\mathrm{高}=400\ \mathrm{W}×10×60\ \mathrm{s}=2.4×10^5\ \mathrm{J}$。
若加湿器在此次高挡加热时产生的热量全部被水吸收,则有$Q=W_\mathrm{高}=2.4×10^5\ \mathrm{J}$。由$Q=cm(t-t_0)$可得, 水 升 高 的 温 度 $(t-t_0)=\frac{Q}{cm}=\frac{2.4×10^5\ \mathrm{J}}{4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}×3\ \mathrm{kg}}≈19\ \mathrm{℃}$。
由题意可知,$R_2=3R_1$,则低挡的发热功率
$P_\mathrm{低}=\frac{U^2}{R_1+R_2}=\frac{U^2}{4R_1}=\frac{(220\ \mathrm{V})^2}{4×121\ \Omega}=100\ \mathrm{W}$。
(2)由题图乙可知,加湿器工作30 min,其中高挡工作时间为10 min,低挡工作时间为20 min,则在高挡正常工作时消耗的电能$W_\mathrm{高}=P_\mathrm{高}t_\mathrm{高}=400\ \mathrm{W}×10×60\ \mathrm{s}=2.4×10^5\ \mathrm{J}$。
若加湿器在此次高挡加热时产生的热量全部被水吸收,则有$Q=W_\mathrm{高}=2.4×10^5\ \mathrm{J}$。由$Q=cm(t-t_0)$可得, 水 升 高 的 温 度 $(t-t_0)=\frac{Q}{cm}=\frac{2.4×10^5\ \mathrm{J}}{4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}×3\ \mathrm{kg}}≈19\ \mathrm{℃}$。
解析
【分析】
本题是电热综合题，解题思路如下：① 先根据开关触点的连接情况，结合公式$P=\frac{U^2}{R}$（电源电压不变时，电阻越大，电功率越小），判断低挡对应两电阻串联的电路，高挡对应只有$R_1$接入的电路；② 利用高挡功率算出$R_1$的阻值，再结合$R_2=3R_1$计算低挡发热功率；③ 从图乙中提取高挡工作时间，根据$W=Pt$计算高挡消耗的电能；④ 利用高挡产生的热量全部被水吸收，结合$Q=cm\Delta t$计算水温升高值。
【解析】
解：(1) 由图甲可知，开关S接1、2触点时电路断路（关）；接2、3触点时$R_1$与$R_2$串联，总电阻最大，由$P=\frac{U^2}{R}$可知总功率最小，为低挡；接3、4触点时只有$R_1$接入电路，总电阻最小，总功率最大，为高挡。
已知高挡功率$P_高=400\ \mathrm{W}$，电源电压$U=220\ \mathrm{V}$，由$P=\frac{U^2}{R}$得：
$R_1=\frac{U^2}{P_高}=\frac{(220\ \mathrm{V})^2}{400\ \mathrm{W}}=121\ \Omega$
又$R_2=3R_1$，则低挡总电阻$R_总=R_1+R_2=R_1+3R_1=4R_1$，低挡功率：
$P_低=\frac{U^2}{R_总}=\frac{(220\ \mathrm{V})^2}{4×121\ \Omega}=100\ \mathrm{W}$
(2) 由图乙可知，30 min内高挡工作时间$t_高=10\ \mathrm{min}=10×60\ \mathrm{s}=600\ \mathrm{s}$，则高挡消耗的电能：
$W_高=P_高t_高=400\ \mathrm{W}×600\ \mathrm{s}=2.4×10^5\ \mathrm{J}$
高挡产生的热量全部被水吸收，即$Q=W_高=2.4×10^5\ \mathrm{J}$，已知水的比热容$c=4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}$，最大注水量$m=3\ \mathrm{kg}$，由$Q=cm\Delta t$得水温升高值：
$\Delta t=\frac{Q}{cm}=\frac{2.4×10^5\ \mathrm{J}}{4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}×3\ \mathrm{kg}}≈19\ \mathrm{℃}$
【答案】
(1) 100 W；(2) 高挡消耗电能$2.4×10^5\ \mathrm{J}$，水温升高约19 ℃
【知识点】
电功率计算、电能与热量计算、电路分析
【点评】
本题为初中物理典型的电热综合题，需先通过开关触点分析电路结构，结合电功率公式判断挡位，再运用电能、热量公式进行计算，考查学生的电路分析能力和公式应用能力，是对基础知识点的综合考查。
【难度系数】
0.6
本题是电热综合题，解题思路如下：① 先根据开关触点的连接情况，结合公式$P=\frac{U^2}{R}$（电源电压不变时，电阻越大，电功率越小），判断低挡对应两电阻串联的电路，高挡对应只有$R_1$接入的电路；② 利用高挡功率算出$R_1$的阻值，再结合$R_2=3R_1$计算低挡发热功率；③ 从图乙中提取高挡工作时间，根据$W=Pt$计算高挡消耗的电能；④ 利用高挡产生的热量全部被水吸收，结合$Q=cm\Delta t$计算水温升高值。
【解析】
解：(1) 由图甲可知，开关S接1、2触点时电路断路（关）；接2、3触点时$R_1$与$R_2$串联，总电阻最大，由$P=\frac{U^2}{R}$可知总功率最小，为低挡；接3、4触点时只有$R_1$接入电路，总电阻最小，总功率最大，为高挡。
已知高挡功率$P_高=400\ \mathrm{W}$，电源电压$U=220\ \mathrm{V}$，由$P=\frac{U^2}{R}$得：
$R_1=\frac{U^2}{P_高}=\frac{(220\ \mathrm{V})^2}{400\ \mathrm{W}}=121\ \Omega$
又$R_2=3R_1$，则低挡总电阻$R_总=R_1+R_2=R_1+3R_1=4R_1$，低挡功率：
$P_低=\frac{U^2}{R_总}=\frac{(220\ \mathrm{V})^2}{4×121\ \Omega}=100\ \mathrm{W}$
(2) 由图乙可知，30 min内高挡工作时间$t_高=10\ \mathrm{min}=10×60\ \mathrm{s}=600\ \mathrm{s}$，则高挡消耗的电能：
$W_高=P_高t_高=400\ \mathrm{W}×600\ \mathrm{s}=2.4×10^5\ \mathrm{J}$
高挡产生的热量全部被水吸收，即$Q=W_高=2.4×10^5\ \mathrm{J}$，已知水的比热容$c=4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}$，最大注水量$m=3\ \mathrm{kg}$，由$Q=cm\Delta t$得水温升高值：
$\Delta t=\frac{Q}{cm}=\frac{2.4×10^5\ \mathrm{J}}{4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}×3\ \mathrm{kg}}≈19\ \mathrm{℃}$
【答案】
(1) 100 W；(2) 高挡消耗电能$2.4×10^5\ \mathrm{J}$，水温升高约19 ℃
【知识点】
电功率计算、电能与热量计算、电路分析
【点评】
本题为初中物理典型的电热综合题，需先通过开关触点分析电路结构，结合电功率公式判断挡位，再运用电能、热量公式进行计算，考查学生的电路分析能力和公式应用能力，是对基础知识点的综合考查。
【难度系数】
0.6
6. 核电站的核心设备是核反应堆，核反应堆是利用重核裂变释放核能的装置，图甲是核电站的原理图。核反应堆中发生重核裂变，释放出核能传递给水，产生高温高压蒸汽，推动蒸汽轮机带动发电机发电。请回答下列问题。
(1)核反应堆为什么不用核聚变释放更多的能量？
(2)核电清洁、经济，但一旦发生核泄漏，会对环境造成巨大的污染。图乙中核辐射的标志是
(3)如图甲所示，从核电站到用户往往有一段较长的距离，在远距离输送电能的过程中电能因转化成内能而损耗。为了减少电能在输电线路上的损失，一种有效措施是减小输电电流，若发电站输送功率一定，则必须通过
(1)核反应堆为什么不用核聚变释放更多的能量？
因为核聚变不受人为控制，不能稳定地输出核聚变能量
。(2)核电清洁、经济，但一旦发生核泄漏，会对环境造成巨大的污染。图乙中核辐射的标志是
C
(填字母)。(3)如图甲所示，从核电站到用户往往有一段较长的距离，在远距离输送电能的过程中电能因转化成内能而损耗。为了减少电能在输电线路上的损失，一种有效措施是减小输电电流，若发电站输送功率一定，则必须通过
提高输电电压
(填“提高输电电压”或“减小输电电压”)来减小输电电流，从而减少损失。若某段输电线电阻为10 Ω，将输电线中电流从20 A减小到10 A，则这段输电线上每分钟损失的电能将比原来减少0.05
kW·h。答案
(1)因为核聚变不受人为控制，不能稳定地输出核聚变能量
(2)C
(3)提高输电电压 0.05
(2)C
(3)提高输电电压 0.05
解析
【分析】
本题围绕核电站的相关知识设置问题，需分步骤思考：(1)核反应堆需要可控的能量输出，需明确核聚变与核裂变的可控性差异；(2)识别常见安全标志，区分不同标志的含义；(3)结合输电功率公式和焦耳定律，分析减小输电损耗的方法并计算电能损失。
【解析】
(1) 核反应堆需要稳定可控的能量输出，核聚变目前无法实现人工控制，不能稳定释放能量，而核裂变可通过控制棒等装置控制反应速率，稳定输出能量，因此核反应堆利用重核裂变而非核聚变。
(2) 图乙中，A为当心爆炸标志，B为当心触电标志，C为核辐射标志，故核辐射标志是C。
(3) 根据输电功率公式$P=UI$，当输送功率$P$一定时，输电电流$I$与输电电压$U$成反比，要减小输电电流，需提高输电电压；计算电能损失：原来电流$I_1=20A$，后来电流$I_2=10A$，输电线电阻$R=10Ω$，时间$t=1min=60s$，减少的电能$\Delta W=I_1^2Rt - I_2^2Rt=(20^2 -10^2)×10×60=180000J=0.05kW·h$（$1kW·h=3.6×10^6J$）。
【答案】
(1)因为核聚变不受人为控制，不能稳定地输出核聚变能量；(2)C；(3)提高输电电压；0.05
【知识点】
核能的利用、安全标志识别、输电电能损失计算
【点评】
本题考查核电站相关基础知识点，涵盖核反应可控性、安全标志判断、输电损耗计算，难度适中，需掌握相关概念和公式的应用。
【难度系数】
0.6
本题围绕核电站的相关知识设置问题，需分步骤思考：(1)核反应堆需要可控的能量输出，需明确核聚变与核裂变的可控性差异；(2)识别常见安全标志，区分不同标志的含义；(3)结合输电功率公式和焦耳定律，分析减小输电损耗的方法并计算电能损失。
【解析】
(1) 核反应堆需要稳定可控的能量输出，核聚变目前无法实现人工控制，不能稳定释放能量，而核裂变可通过控制棒等装置控制反应速率，稳定输出能量，因此核反应堆利用重核裂变而非核聚变。
(2) 图乙中，A为当心爆炸标志，B为当心触电标志，C为核辐射标志，故核辐射标志是C。
(3) 根据输电功率公式$P=UI$，当输送功率$P$一定时，输电电流$I$与输电电压$U$成反比，要减小输电电流，需提高输电电压；计算电能损失：原来电流$I_1=20A$，后来电流$I_2=10A$，输电线电阻$R=10Ω$，时间$t=1min=60s$，减少的电能$\Delta W=I_1^2Rt - I_2^2Rt=(20^2 -10^2)×10×60=180000J=0.05kW·h$（$1kW·h=3.6×10^6J$）。
【答案】
(1)因为核聚变不受人为控制，不能稳定地输出核聚变能量；(2)C；(3)提高输电电压；0.05
【知识点】
核能的利用、安全标志识别、输电电能损失计算
【点评】
本题考查核电站相关基础知识点，涵盖核反应可控性、安全标志判断、输电损耗计算，难度适中，需掌握相关概念和公式的应用。
【难度系数】
0.6
