Question

7．如圖所示是一種電壓力鍋簡易原理圖，A為密閉鍋體，鍋蓋面積為400cm²．R₁為工作時的加熱電阻，L為指示燈，其電阻為20Ω，R₂為保溫電阻，S₁為電源開關(guān)，S₂為壓力開關(guān)，閉合S₁后，電路通過R₁對電力壓力鍋加熱，當(dāng)鍋內(nèi)氣體壓強(qiáng)達(dá)到設(shè)定值時，水開始沸騰，鍋底向下移動，壓力開關(guān)與觸點(diǎn)a斷開，并與b點(diǎn)接通，起到控壓控溫的目的，此時保溫電路的總功率為20W．
表一 水的沸點(diǎn)T與氣體壓強(qiáng)p 的關(guān)系

T/℃	100	105	110	112	114	116	118	120
P/kPa	101	121	143	154	163	175	187	199

表二 電壓力鍋的銘牌

額定電壓	加熱功率	壓強(qiáng)設(shè)定值
220V	1000W	175kPa

（1）當(dāng)鍋內(nèi)氣壓為101kPa時，鍋內(nèi)氣體對鍋蓋的壓力是多少？
（2）保溫電阻R₂的阻值是多少？
（3）已知鍋內(nèi)水的質(zhì)量為m，初溫為T₀、比熱容為c，為了求出電壓鍋從開始加熱到鍋氣壓到設(shè)定值時的效率，只要測出閉合開關(guān)S₁到電路中指示燈亮的時間為t，就可推導(dǎo)出效率的表達(dá)式η=$\frac{cm（116℃-{T}_{0}）}{1000W×t}$×100%（用已知量表示）．

Answer 1

分析 （1）已知鍋內(nèi)氣體壓強(qiáng)和鍋蓋面積，利用F=pS求出鍋內(nèi)氣體對鍋蓋的壓力；
（2）保溫時，指示燈和電阻R₂串聯(lián)接入電路，知道保溫功率和電源電壓，利用P=$\frac{{U}^{2}}{R}$求電路總電阻，再根據(jù)電阻的串聯(lián)求出R₂的阻值；
（3）由表二知，鍋內(nèi)壓強(qiáng)設(shè)定值p=175kPa，由表一可知鍋內(nèi)溫度為116℃，測出閉合開關(guān)S₁到電路中指示燈亮的時間t，利用W=Pt求消耗的電能（總能量），利用Q_吸=cm△t求水吸收的熱量（有用能量），再利用效率公式求壓力鍋的熱效率．

解答 解：（1）由p=$\frac{F}{S}$可得，鍋內(nèi)氣體對鍋蓋的壓力：
F=pS=101×10³Pa×400×10^-4m²=4040N；
（2）由P=$\frac{{U}^{2}}{R}$可得，保溫時電路的總電阻：
R=$\frac{{U}^{2}}{P}$=$\frac{{（220V）}^{2}}{20W}$=2420Ω，
因串聯(lián)電路中總電阻等于各分電阻之和，
所以，保溫電阻R₂的阻值：
R₂=R-R_L=2420Ω-20Ω=2400Ω；
（3）由表二知道鍋內(nèi)氣體壓強(qiáng)設(shè)定值p=175kPa、壓力鍋的功率為1000W，
由表一可知此時鍋內(nèi)溫度為116℃，測出閉合開關(guān)S₁到電路中指示燈亮的時間t，
壓力鍋消耗的電能：
W_電=Pt=1000W×t，
水吸收的熱量：
Q_吸=cm（t₂-t₁）=cm（116℃-T₀），
壓力鍋的效率：
η=$\frac{{Q}_{吸}}{{W}_{電}}$×100%=$\frac{cm（116℃-{T}_{0}）}{1000W×t}$×100%．
答：（1）當(dāng)鍋內(nèi)氣體壓強(qiáng)為101kPa時，鍋內(nèi)氣體對鍋蓋的壓力是4040N；
（2）保溫電阻R₂的阻值為2400Ω；
（3）指示燈亮；$\frac{cm（116℃-{T}_{0}）}{1000W×t}$×100%．

點(diǎn)評 本題是一道電學(xué)和力學(xué)綜合題，涉及到壓強(qiáng)公式、電功率公式、吸熱公式、電功公式、效率公式的應(yīng)用，從表格中獲取有用的信息是關(guān)鍵．