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15. 小予同学在探究“电流通过导体产生的热量与哪些因素有关”时,采用了如图所示的实验装置,请观察甲、乙两图并回答下列问题。
(1)实验中通过观察两个U形管中
(2)图甲所示的装置是用来探究电流通过导体产生的热量与
(3)图乙中电阻$R_{3}$的作用主要是使电阻$R_{1}$和$R_{2}$中的电流
(4)当家庭电路中的导线连接处接触不良时,该处电阻会增大,容易引发火灾,则图
(1)实验中通过观察两个U形管中
液面高度差
的变化来比较电流通过导体产生的热量的多少,这种研究物理问题的方法叫转换法
。(2)图甲所示的装置是用来探究电流通过导体产生的热量与
电阻
的关系,将此装置接到电源两端,通电一段时间,右
(选填“左”或“右”)侧U形管中液面高度差较大,这表明在电流和通电时间相同的情况下,电阻
越大,电流通过导体产生的热量越多。(3)图乙中电阻$R_{3}$的作用主要是使电阻$R_{1}$和$R_{2}$中的电流
不相等
(选填“相等”或“不相等”)。若在该实验中减小电阻$R_{3}$的阻值,则实验效果更明显
(选填“明显”或“不明显”)。(4)当家庭电路中的导线连接处接触不良时,该处电阻会增大,容易引发火灾,则图
甲
(选填“甲”或“乙”)的实验结论可以用来解释这种现象。答案
液面高度差
转换法
电阻
右
电阻
不相等
明显
甲
转换法
电阻
右
电阻
不相等
明显
甲
解析
【解析】
(1) 电流通过导体产生的热量无法直接观察，实验中通过观察两个U形管中液面高度差的变化来比较电流通过导体产生的热量的多少，将不易观察的热量转换为容易观察的液面高度差，这种研究物理问题的方法叫转换法。
(2) 图甲中，$R_1$与$R_2$串联，通过的电流和通电时间相同，电阻不同，所以是用来探究电流通过导体产生的热量与电阻的关系。根据$Q=I^2Rt$，在电流和通电时间相同的情况下，电阻越大，产生的热量越多，$R_2=10\Omega$大于$R_1=5\Omega$，所以右侧U形管中液面高度差较大。
(3) 图乙中，$R_2$与$R_3$并联后再与$R_1$串联，因此电阻$R_1$和$R_2$中的电流不相等，$R_3$的作用主要是使两者电流不同。若减小电阻$R_3$的阻值，$R_2$所在支路的电流会增大，$R_1$与$R_2$的电流差变大，产生的热量差异更显著，实验效果更明显。
(4) 家庭电路中导线连接处接触不良时，该处电阻增大，与导线其他部分串联，电流和通电时间相同，电阻大产生热量多，这与图甲中“电流和通电时间相同时，电阻越大，电流通过导体产生的热量越多”的结论一致，故用图甲的实验结论解释。
【答案】
(1) 液面高度差；转换法
(2) 电阻；右；电阻
(3) 不相等；明显
(4) 甲
【知识点】
电流的热效应、控制变量法、转换法
【点评】
本题通过实验装置探究电流通过导体产生的热量的影响因素，考查了控制变量法和转换法的应用，同时联系生活实际，体现了物理知识在生活中的应用。
【难度系数】
0.7
(1) 电流通过导体产生的热量无法直接观察，实验中通过观察两个U形管中液面高度差的变化来比较电流通过导体产生的热量的多少，将不易观察的热量转换为容易观察的液面高度差，这种研究物理问题的方法叫转换法。
(2) 图甲中，$R_1$与$R_2$串联，通过的电流和通电时间相同，电阻不同，所以是用来探究电流通过导体产生的热量与电阻的关系。根据$Q=I^2Rt$，在电流和通电时间相同的情况下，电阻越大，产生的热量越多，$R_2=10\Omega$大于$R_1=5\Omega$，所以右侧U形管中液面高度差较大。
(3) 图乙中，$R_2$与$R_3$并联后再与$R_1$串联，因此电阻$R_1$和$R_2$中的电流不相等，$R_3$的作用主要是使两者电流不同。若减小电阻$R_3$的阻值，$R_2$所在支路的电流会增大，$R_1$与$R_2$的电流差变大，产生的热量差异更显著，实验效果更明显。
(4) 家庭电路中导线连接处接触不良时，该处电阻增大，与导线其他部分串联，电流和通电时间相同，电阻大产生热量多，这与图甲中“电流和通电时间相同时，电阻越大，电流通过导体产生的热量越多”的结论一致，故用图甲的实验结论解释。
【答案】
(1) 液面高度差；转换法
(2) 电阻；右；电阻
(3) 不相等；明显
(4) 甲
【知识点】
电流的热效应、控制变量法、转换法
【点评】
本题通过实验装置探究电流通过导体产生的热量的影响因素，考查了控制变量法和转换法的应用，同时联系生活实际，体现了物理知识在生活中的应用。
【难度系数】
0.7
16. 小希家有一款陶瓷电热养生壶,如图甲所示,工作时有武火加热、文火萃取、保温三个挡位。电热养生壶的部分技术参数如表所示,工作电路简化图如图乙所示。小希通过查看说明书,发现$R_{1}$和$R_{2}$均为电热丝,且其三个挡位的额定功率依次减小。
(1)电热丝$R_{1}$、$R_{2}$的阻值各为多少?
(2)小希往养生壶中倒满茶水,当该壶正常工作时,茶水的温度与加热时间的关系如图丙所示,则在武火加热过程中:
①茶水所吸收的热量是多少?[$c_{茶水}=4.2 × 10^{3}\ {J/(kg · ° Celsius)}$,$\rho_{茶水}=1.0 × 10^{3}\ {kg/m^{3}}$]
②电热养生壶的效率是多少?
(1)电热丝$R_{1}$、$R_{2}$的阻值各为多少?
(2)小希往养生壶中倒满茶水,当该壶正常工作时,茶水的温度与加热时间的关系如图丙所示,则在武火加热过程中:
①茶水所吸收的热量是多少?[$c_{茶水}=4.2 × 10^{3}\ {J/(kg · ° Celsius)}$,$\rho_{茶水}=1.0 × 10^{3}\ {kg/m^{3}}$]
②电热养生壶的效率是多少?
答案
解：$(1)R_{ 2 }=\frac {U_{ }^2}{P_{ 2 }}=\frac {({ 220 }\ \text {V})^2}{{ 0.8 ×10^3 }\ \text {W}}={ 242 }Ω$
$R_{ 1 }+R_2=\frac {U_{ }^2}{P_{1 }}=\frac {({ 220 }\ \text {V})^2}{{ 0.16×10^3 }\ \text {W}}={ 302.5 }Ω$
$R_1=302.5\ \mathrm {Ω}-242\ \mathrm {Ω}=60.5\ \mathrm {Ω}$
$(2)①Q_{吸}=cm∆t=4.2×10^3\ \text{J/(kg}·℃) ×{ 1.2 }\ \text{kg}×(98℃-18℃)={ 4.032×10^5 }\ \text{J}$
$②W=P_3t={ 1000 }\ \text {W}×{ 14×60 }\ \text {s}={ 8.4×10^5 }\ \text {J}$
$η=\frac {Q_{吸}}{W}×100\%=\frac {{ 4.032×10^5 }\ \text{J}}{{ 8.4×10^5 }\ \text{J}}×100\%={ 48 }\%$
解析
【解析】
(1) 由题意可知，三个挡位额定功率依次减小，因此：
武火加热挡：$R_1$、$R_2$并联，功率最大；
文火萃取挡：只有$R_2$工作，功率次之；
保温挡：$R_1$、$R_2$串联，功率最小。
根据$P=\frac{U^2}{R}$计算阻值：
① 文火挡功率$P_2=800\ \mathrm{W}$，则$R_2=\frac{U^2}{P_2}=\frac{(220\ \mathrm{V})^2}{800\ \mathrm{W}}=242\ \Omega$；
② 保温挡功率$P_{保温}=160\ \mathrm{W}$，串联总电阻$R_{串}=\frac{U^2}{P_{保温}}=\frac{(220\ \mathrm{V})^2}{160\ \mathrm{W}}=302.5\ \Omega$；
③ $R_1=R_{串}-R_2=302.5\ \Omega-242\ \Omega=60.5\ \Omega$。
(2) ① 茶水的体积$V=1.2\ \mathrm{L}=1.2×10^{-3}\ \mathrm{m^3}$，由$\rho=\frac{m}{V}$得茶水质量$m=\rho_{茶水}V=1.0×10^3\ \mathrm{kg/m^3}×1.2×10^{-3}\ \mathrm{m^3}=1.2\ \mathrm{kg}$；
茶水吸收的热量$Q_{吸}=c_{茶水}m\Delta t=4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}×1.2\ \mathrm{kg}×(98℃-18℃)=4.032×10^5\ \mathrm{J}$。
② 武火加热时间$t=14\ \mathrm{min}=840\ \mathrm{s}$，武火功率$P_{武火}=1000\ \mathrm{W}$，消耗的电能$W=P_{武火}t=1000\ \mathrm{W}×840\ \mathrm{s}=8.4×10^5\ \mathrm{J}$；
电热养生壶的效率$\eta=\frac{Q_{吸}}{W}×100\%=\frac{4.032×10^5\ \mathrm{J}}{8.4×10^5\ \mathrm{J}}×100\%=48\%$。
【答案】
(1) $R_{1}=60.5\ \Omega$，$R_{2}=242\ \Omega$；
(2) ① $4.032×10^5\ \mathrm{J}$；② $48\%$。
【知识点】
1. 电功率计算；
2. 热量计算；
3. 电热器效率。
【点评】
本题结合实际电器考查电功率、热量、效率的综合计算，需先分析电路判断挡位对应的连接方式，再结合公式逐步求解，体现物理知识在生活中的应用。
【难度系数】
0.6
(1) 由题意可知，三个挡位额定功率依次减小，因此：
武火加热挡：$R_1$、$R_2$并联，功率最大；
文火萃取挡：只有$R_2$工作，功率次之；
保温挡：$R_1$、$R_2$串联，功率最小。
根据$P=\frac{U^2}{R}$计算阻值：
① 文火挡功率$P_2=800\ \mathrm{W}$，则$R_2=\frac{U^2}{P_2}=\frac{(220\ \mathrm{V})^2}{800\ \mathrm{W}}=242\ \Omega$；
② 保温挡功率$P_{保温}=160\ \mathrm{W}$，串联总电阻$R_{串}=\frac{U^2}{P_{保温}}=\frac{(220\ \mathrm{V})^2}{160\ \mathrm{W}}=302.5\ \Omega$；
③ $R_1=R_{串}-R_2=302.5\ \Omega-242\ \Omega=60.5\ \Omega$。
(2) ① 茶水的体积$V=1.2\ \mathrm{L}=1.2×10^{-3}\ \mathrm{m^3}$，由$\rho=\frac{m}{V}$得茶水质量$m=\rho_{茶水}V=1.0×10^3\ \mathrm{kg/m^3}×1.2×10^{-3}\ \mathrm{m^3}=1.2\ \mathrm{kg}$；
茶水吸收的热量$Q_{吸}=c_{茶水}m\Delta t=4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}×1.2\ \mathrm{kg}×(98℃-18℃)=4.032×10^5\ \mathrm{J}$。
② 武火加热时间$t=14\ \mathrm{min}=840\ \mathrm{s}$，武火功率$P_{武火}=1000\ \mathrm{W}$，消耗的电能$W=P_{武火}t=1000\ \mathrm{W}×840\ \mathrm{s}=8.4×10^5\ \mathrm{J}$；
电热养生壶的效率$\eta=\frac{Q_{吸}}{W}×100\%=\frac{4.032×10^5\ \mathrm{J}}{8.4×10^5\ \mathrm{J}}×100\%=48\%$。
【答案】
(1) $R_{1}=60.5\ \Omega$，$R_{2}=242\ \Omega$；
(2) ① $4.032×10^5\ \mathrm{J}$；② $48\%$。
【知识点】
1. 电功率计算；
2. 热量计算；
3. 电热器效率。
【点评】
本题结合实际电器考查电功率、热量、效率的综合计算，需先分析电路判断挡位对应的连接方式，再结合公式逐步求解，体现物理知识在生活中的应用。
【难度系数】
0.6
