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解:
(1) 灯泡正常工作时的电流:$I=\frac{P_{\mathrm{灯}}}{U_{\mathrm{灯}}}=\frac{6\ \mathrm{W}}{6\ \mathrm{V}}=1\ \mathrm{A}$
串联电阻分担的电压:$U_{\mathrm{阻}}=U-U_{\mathrm{灯}}=8\ \mathrm{V}-6\ \mathrm{V}=2\ \mathrm{V}$
串联电阻的阻值:$R=\frac{U_{\mathrm{阻}}}{I}=\frac{2\ \mathrm{V}}{1\ \mathrm{A}}=2\ \Omega$
电阻的电功率:$P_{\mathrm{阻}}=U_{\mathrm{阻}}I=2\ \mathrm{V}×1\ \mathrm{A}=2\ \mathrm{W}$
(2) 电路消耗的电能:$W=UIt=8\ \mathrm{V}×1\ \mathrm{A}×6×60\ \mathrm{s}=2880\ \mathrm{J}$


解:
(1) 水吸收的热量:
$Q_{\mathrm{吸}}=cm(t-t_{0})=4.2×10^{3}\ \mathrm{J/(kg·℃)}×2\ \mathrm{kg}×(50℃-30℃)=1.68×10^{5}\ \mathrm{J}$
(2) 电磁炉工作5min消耗的电能:
$W=\frac{150}{2000}\ \mathrm{kW·h}=0.075\ \mathrm{kW·h}=2.7×10^{5}\ \mathrm{J}$
(3) 电磁炉的实际功率:
$P_{\mathrm{实}}=\frac{W}{t}=\frac{2.7×10^{5}\ \mathrm{J}}{5×60\ \mathrm{s}}=900\ \mathrm{W}$
(4) 电磁炉的实际功率小于额定功率,原因是电磁炉工作时两端的电压比额定电压低,电磁炉没有正常工作。
【分析】
要解决这道题,可按以下思路思考:
(1)灯泡正常工作时,其电压和功率为额定值,先根据公式$I=\frac{P}{U}$算出灯泡正常工作的电流;由于串联电路电流处处相等,该电流也是串联电阻的电流。再用电源总电压减去灯泡额定电压,得到串联电阻分担的电压,最后利用欧姆定律$R=\frac{U}{I}$求出电阻阻值,用$P=UI$计算电阻的电功率。
(2)计算电路总电能,使用公式$W=UIt$,其中$U$为电源总电压,$I$为电路电流(即灯泡正常工作的电流),注意将时间单位换算为秒后代入计算。
【解析】
(1) 灯泡正常工作时的电流:
$I=\frac{P_{\mathrm{灯}}}{U_{\mathrm{灯}}}=\frac{6\ \mathrm{W}}{6\ \mathrm{V}}=1\ \mathrm{A}$
串联电路中电流处处相等,故通过电阻的电流也为$1\ \mathrm{A}$。
串联电阻分担的电压:
$U_{\mathrm{阻}}=U-U_{\mathrm{灯}}=8\ \mathrm{V}-6\ \mathrm{V}=2\ \mathrm{V}$
根据欧姆定律,串联电阻的阻值:
$R=\frac{U_{\mathrm{阻}}}{I}=\frac{2\ \mathrm{V}}{1\ \mathrm{A}}=2\ \Omega$
电阻的电功率:
$P_{\mathrm{阻}}=U_{\mathrm{阻}}I=2\ \mathrm{V}×1\ \mathrm{A}=2\ \mathrm{W}$
(2) 灯泡正常工作时间$t=6\ \mathrm{min}=6×60\ \mathrm{s}=360\ \mathrm{s}$
电路消耗的电能:
$W=UIt=8\ \mathrm{V}×1\ \mathrm{A}×360\ \mathrm{s}=2880\ \mathrm{J}$
【答案】
(1)需串联的电阻阻值为$2\ \Omega$,该电阻的电功率为$2\ \mathrm{W}$;
(2)这段时间内电路消耗的电能是$2880\ \mathrm{J}$。
【知识点】
串联电路特点、欧姆定律、电功与电功率计算
【点评】
本题考查串联电路特点、欧姆定律及电功、电功率公式的应用,解题关键是明确灯泡正常工作时的电压和功率为额定值,同时注意单位统一,属于初中电学基础题型。
【难度系数】
0.7
【分析】
我们可以分四个问题依次梳理解题思路:
1. 计算水吸收的热量:回忆热量计算公式$Q_{\mathrm{吸}}=cm(t-t_0)$,题目已给出水的质量、初温、末温,水的比热容是已知常量,直接代入公式即可计算。
2. 计算电磁炉消耗的电能:根据电能表参数$2000\ \mathrm{imp/(kW·h)}$的含义(每消耗$1\ \mathrm{kW·h}$电能,指示灯闪烁2000次),用实际闪烁次数与总闪烁次数的比值,即可得到消耗的电能,再完成单位换算。
3. 计算电磁炉的实际功率:利用功率公式$P=\frac{W}{t}$,用第二问算出的消耗电能除以工作时间(注意将时间单位统一为秒),代入数值计算就能得到实际功率。
4. 对比实际功率与额定功率:将第三问的结果和电磁炉额定功率对比,会发现实际功率更小,结合用电器实际功率与电压的关系,可知是实际电压低于额定电压,导致电磁炉未正常工作。
【解析】
(1) 已知水的质量$m=2\ \mathrm{kg}$,初温$t_0=30℃$,末温$t=50℃$,水的比热容$c=4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}$,根据吸热公式:
$ Q_{\mathrm{吸}}=cm(t-t_{0})=4.2×10^{3}\ \mathrm{J/(kg·℃)}×2\ \mathrm{kg}×(50℃-30℃)=1.68×10^{5}\ \mathrm{J}$
(2) 由电能表参数$2000\ \mathrm{imp/(kW·h)}$可知,指示灯闪烁150次时,电磁炉消耗的电能:
$ W=\frac{150}{2000}\ \mathrm{kW·h}=0.075\ \mathrm{kW·h}=0.075×3.6×10^6\ \mathrm{J}=2.7×10^{5}\ \mathrm{J}$
(3) 电磁炉工作时间$t=5\ \mathrm{min}=5×60\ \mathrm{s}=300\ \mathrm{s}$,根据功率公式$P=\frac{W}{t}$,实际功率:
$ P_{\mathrm{实}}=\frac{W}{t}=\frac{2.7×10^{5}\ \mathrm{J}}{300\ \mathrm{s}}=900\ \mathrm{W}$
(4) 电磁炉的额定功率$P_{\mathrm{额}}=1\ \mathrm{kW}=1000\ \mathrm{W}$,对比实际功率$900\ \mathrm{W}$,可知实际功率小于额定功率。
原因:电磁炉工作时的实际电压低于额定电压$220\ \mathrm{V}$,在电磁炉电阻不变的情况下,根据$P=\frac{U^2}{R}$,电压降低,实际功率会小于额定功率。
【答案】
(1) 水吸收的热量为$\boldsymbol{1.68×10^{5}\ \mathrm{J}}$
(2) 电磁炉工作5min消耗的电能为$\boldsymbol{2.7×10^{5}\ \mathrm{J}}$(或$\boldsymbol{0.075\ \mathrm{kW·h}}$)
(3) 电磁炉的实际功率为$\boldsymbol{900\ \mathrm{W}}$
(4) 新问题:电磁炉的实际功率小于额定功率;原因:电磁炉工作时的实际电压低于额定电压,导致实际功率小于额定功率。
【知识点】
1. 吸热公式计算
2. 电能表的应用
3. 实际功率计算
【点评】
本题结合生活中电磁炉烧水的真实场景,综合考查了热量、电能、电功率的计算,同时兼顾额定功率与实际功率的区别,注重理论联系实际,需要学生熟练掌握相关公式并能灵活运用。
【难度系数】
0.7