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解:​$(1)$​根据​$P = \frac {U^2}R(U $​一定时,​$R $​越大,​$P $​越小​$)$​,当​$S_1$​接​$a$​时,​$R_1$​与​$R_2$​串联,电路电阻最大,此时为低温挡。
由​$P = UI $​可得,低温挡加热时的电流​$I=\frac {P_{低}}U$​,已知​$P_{低}=11\ \mathrm {W}$​,​$U = 220\ \mathrm {V}$​,则​$I=\frac {11\ \mathrm {W}}{220\ \mathrm {V}}=0.05\ \mathrm {A}$​。
​$(2)① $​由​$R=\frac UI(I = 0.05\ \mathrm {A}$​,​$U = 220\ \mathrm {V})$​可得串联电阻​$R = R_1+R_2=\frac UI=\frac {220\ \mathrm {V}}{0.05\ \mathrm {A}}=4400\ \mathrm {Ω}$​,已知​$R_2=3300\ \mathrm {Ω}$​,则​$R_1=R - R_2=4400\ \mathrm {Ω}-3300\ \mathrm {Ω}= 1100\ \mathrm {Ω}$​。
​$② $​当​$S_1$​接​$b$​时,电路为​$R_1$​的简单电路,此时为高温挡。根据​$P=\frac {U^2}R$​,可得​$P_{高}=\frac {U^2}{R_1}$​,将​$U = 220\ \mathrm {V}$​,​$R_1=1100\ \mathrm {Ω}$​代入,​$P_{高}=\frac {(220\ \mathrm {V})^2}{1100\ \mathrm {Ω}}=44\ \mathrm {W}$​。
​$(3)① $​加热器处在高温挡工作​$t = 10 \mathrm {\mathrm {min}}=600\ \mathrm {s}$​,根据​$Q = W=P_{高}t$​,可得​$Q = 44\ \mathrm {W}×600\ \mathrm {s} = 26400\ \mathrm {J}$​。
​$② $​已知​$\eta = 70\%$​,由​$\eta =\frac {Q_{吸}}Q $​可得​$Q_{吸}=\eta Q$​,​$Q_{吸}=70\%×26400\ \mathrm {J} = 18480\ \mathrm {J}$​。
​$③ $​根据​$Q_{吸}=cm∆t(c = 0.44×10^3\ \mathrm {J/}(\mathrm {kg·℃})$​,​$m = 1\ \mathrm {kg})$​,可得​$∆t=\frac {Q_{吸}}{cm}$​,将​$Q_{吸}=18480\ \mathrm {J}$​,​$c = 0.44×10^3\ \mathrm {J/}(\mathrm {kg·℃})$​,​$m = 1\ \mathrm {kg}_{代入}$​,​$∆t=\frac {18480\ \mathrm {J}}{0.44×10^3\ \mathrm {J/}(\mathrm {kg·℃})×1\ \mathrm {kg}}=42℃$​。
【分析】
1. 判断低温挡:根据公式$P=\frac{U^2}{R}$,电源电压$U$不变时,电路总电阻越大,电功率越小。当$S_1$接$a$时,$R_1$与$R_2$串联,总电阻最大,电功率最小,为低温挡;再根据$P=UI$,变形可得低温挡的电流$I=\frac{P_{低}}{U}$,代入数据计算即可。
2. 求$R_1$的阻值:先根据欧姆定律$R=\frac{U}{I}$算出低温挡时电路的总电阻,再根据串联电阻的规律$R=R_1+R_2$,变形得到$R_1=R-R_2$,代入数据计算;高温挡是$S_1$接$b$时,电路为$R_1$的简单电路,此时电阻最小,功率最大,用$P=\frac{U^2}{R_1}$计算高温挡功率。
3. 计算温度升高值:先根据$W=P_{高}t$算出高温挡工作10min产生的电热,再根据热效率公式$\eta=\frac{Q_{吸}}{W}$算出马桶圈吸收的热量$Q_{吸}=\eta W$,最后利用$Q_{吸}=cm\Delta t$变形得到$\Delta t=\frac{Q_{吸}}{cm}$,代入数据计算温度升高量。
【解析】
(1) 根据$P=\frac{U^2}{R}$(电源电压$U$一定时,总电阻$R$越大,电功率$P$越小),当$S_1$接$a$时,$R_1$与$R_2$串联,电路总电阻最大,电功率最小,为低温挡。
由$P=UI$可得,低温挡加热时的电流:
$I=\frac{P_{低}}{U}=\frac{11\ \mathrm{W}}{220\ \mathrm{V}}=0.05\ \mathrm{A}$
(2) ① 由欧姆定律$I=\frac{U}{R}$可得,低温挡时电路的总电阻:
$R=\frac{U}{I}=\frac{220\ \mathrm{V}}{0.05\ \mathrm{A}}=4400\ \mathrm{Ω}$
根据串联电路电阻规律$R=R_1+R_2$,可得$R_1$的阻值:
$R_1=R-R_2=4400\ \mathrm{Ω}-3300\ \mathrm{Ω}=1100\ \mathrm{Ω}$
② 当$S_1$接$b$时,电路为$R_1$的简单电路,总电阻最小,电功率最大,为高温挡。
高温挡的功率:
$P_{高}=\frac{U^2}{R_1}=\frac{(220\ \mathrm{V})^2}{1100\ \mathrm{Ω}}=44\ \mathrm{W}$
(3) 高温挡工作时间$t=10\ \mathrm{min}=600\ \mathrm{s}$,
高温挡工作10min产生的电热:
$W=P_{高}t=44\ \mathrm{W}×600\ \mathrm{s}=26400\ \mathrm{J}$
由$\eta=\frac{Q_{吸}}{W}$可得,马桶圈吸收的热量:
$Q_{吸}=\eta W=70\%×26400\ \mathrm{J}=18480\ \mathrm{J}$
根据$Q_{吸}=cm\Delta t$,可得马桶圈升高的温度:
$\Delta t=\frac{Q_{吸}}{cm}=\frac{18480\ \mathrm{J}}{0.44×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}×1\ \mathrm{kg}}=42\ \mathrm{℃}$
【答案】
(1) $S_1$接$a$端点时为低温挡;低温挡加热时的电流是$0.05\ \mathrm{A}$。
(2) $R_1$的阻值为$1100\ \mathrm{Ω}$;加热器处于高温挡时的功率为$44\ \mathrm{W}$。
(3) 最多可使马桶圈温度升高$42\ \mathrm{℃}$。
【知识点】
电功率计算、欧姆定律应用、热量与热效率计算
【点评】
本题是电热综合应用题,结合生活实际场景,考查了串并联电路的特点、欧姆定律、电功率公式以及热效率和吸热公式的综合应用,解题的关键是明确不同挡位对应的电路结构,熟练运用相关物理公式进行计算,培养了学生运用物理知识解决实际问题的能力。
【难度系数】
0.6