Question

3．熱敏電阻是一種用半導(dǎo)體材料制成的電阻，它的阻值隨溫度的變化會(huì)發(fā)生明顯改變，圖甲所示是某熱敏電阻的R-t圖象．圖乙所示為一個(gè)用該熱敏電阻R和繼電器組成的簡(jiǎn)單恒溫箱溫控電路（用于獲得高于室溫，控制在一定范圍內(nèi)的“恒溫”），包括工作電路和控制電路部分．其中繼電器線圈的電阻R₀為150Ω，電源E₁兩端的電壓為6V且保持恒定．當(dāng)繼電器中的電流達(dá)到20mA時(shí)銜鐵被吸合．AB之間接加熱電阻絲作為加熱器，加熱器的額定電壓為220V．其額定功率為500W．R′為阻值可以改變的電阻，當(dāng)R′=100Ω時(shí)，剛好可以實(shí)現(xiàn)100℃的恒溫控制．

（1）如圖乙所示的狀態(tài)，加熱器處于加熱狀態(tài) （填“加熱狀態(tài)”或“放熱狀態(tài)”）．繼電器的上端為N極．
（2）當(dāng)恒溫箱中實(shí)現(xiàn)100℃恒溫控制時(shí)，熱敏電阻R消耗的功率是0.02W．
（3）如果要使恒溫箱能夠設(shè)置50℃至150℃之間的溫度，那么可變電阻R′的阻值調(diào)節(jié)范圍應(yīng)該在60～120Ω之間．電阻R′的作用為保持控制電路總電阻不變．
 （4）由于輸電導(dǎo)線上有電阻，當(dāng)某次加熱器的實(shí)際功率為405W時(shí)，工作電路的實(shí)際電壓為198V．輸電線上失的電功率為44W．若將輸電導(dǎo)線換成超導(dǎo)體（“半導(dǎo)體”或“超導(dǎo)體”）可大大降低電能的損耗．

Answer 1

分析 （1）分析圖示電路圖，根據(jù)電路圖判斷加熱器處于什么狀態(tài)；應(yīng)用安培定則判斷電磁鐵的極性．
（2）當(dāng)恒溫箱中的溫度100℃時(shí)，加熱器要斷開，控制電路電流應(yīng)達(dá)到20mA，應(yīng)用串聯(lián)電路特點(diǎn)與歐姆定律求出熱敏電阻兩端電壓，然后由P=UI求出熱敏電阻消耗的功率．
（3）根據(jù)題意可知，當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，控制電路中繼電器銜鐵要吸合時(shí)，切斷加熱電路，故無論設(shè)定溫度的高低，都應(yīng)調(diào)節(jié)變阻器使電路中的電流不變，即電路中的總電阻不變，根據(jù)圖象讀出50℃、100℃、150℃時(shí)控制電路的總電阻，再根據(jù)電阻的串聯(lián)分別求出變阻器接入電路中的電阻，進(jìn)一步根據(jù)該熱敏電阻R隨溫度的特點(diǎn)得出答案．
（4）由電功率公式求出加熱器的電阻，然后應(yīng)用電功率公式求出電路的實(shí)際電壓，應(yīng)用串聯(lián)電路特點(diǎn)求出導(dǎo)線損失的電壓、電路電流，然后由P=UI求出導(dǎo)線損失的功率；超導(dǎo)體電阻為零，沒有電能的損失．

解答 解：（1）由圖乙所示電路圖可知，此時(shí)加熱器接入電路，加熱正在工作，加熱器處于加熱狀態(tài)；
由安培定則可知，電磁鐵的上端為N極．
（2）恒溫箱中實(shí)現(xiàn)100℃恒溫控制時(shí)，熱敏電阻兩端電壓：
U_R=U-U₀-U′=U-I（R₀+R′）=6V-0.020A×（150Ω+100Ω）=1V，
熱敏電阻消耗的功率：P_R=U_RI=1V×0.020A=0.02W；
（3）根據(jù)題意可知，當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，控制電路中繼電器銜鐵要吸合時(shí)，切斷加熱電路，
銜鐵吸合工作時(shí)電流即線圈中的電流一定，且電源的電壓不變，
根據(jù)歐姆定律可知，無論設(shè)定溫度的高低，電路中的總電阻不變，
由圖甲可知，100℃的恒溫控制時(shí)R=50Ω，
串聯(lián)電路中總電阻等于各分電阻之和，
電路中的總電阻R_總=R₀+R+R′=150Ω+50Ω+100Ω=300Ω；
當(dāng)恒溫箱設(shè)置50℃時(shí)，由圖甲可知R=90Ω，
變阻器接入電路中的電阻R′=R_總-R₀-R=300Ω-150Ω-90Ω=60Ω，
當(dāng)恒溫箱設(shè)置150℃時(shí)，由圖甲可知R=30Ω，
變阻器接入電路中的電阻R′=R_總-R₀-R=300Ω-150Ω-30Ω=120Ω，
圖甲中，該熱敏電阻R隨溫度的升高而減小，
要使恒溫箱能夠設(shè)置50℃至150℃之間的溫度，可變電阻R′的阻值調(diào)節(jié)范圍應(yīng)該在60～120Ω；
（4）由P=$\frac{{U}^{2}}{R}$可知，加熱器的電阻：R=$\frac{{U}_{額}^{2}}{{P}_{額}^{\;}}$=$\frac{（220V）^{2}}{500W}$=96.8Ω，
加熱器兩端的實(shí)際電壓：U_實(shí)際=$\sqrt{{P}_{實(shí)際}R}$=$\sqrt{405W×96.8Ω}$=198V，
由P=UI可知，此時(shí)電路電流：I=$\frac{{P}_{實(shí)際}}{{U}_{實(shí)際}}$=$\frac{405W}{198V}$≈2A，
導(dǎo)線損失的電壓：U_損=U-U_實(shí)際=220V-198V=22V，
導(dǎo)線損失的功率：P_損失=U_損I=22V×2A=44W；
若將輸電導(dǎo)線換成超導(dǎo)體可大大降低電能的損耗．
故答案為：（1）加熱狀態(tài)；N；（2）0.02W；（3）60～120；保持控制電路總電阻不變；（4）198V；44W；超導(dǎo)體．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了電阻的串聯(lián)特點(diǎn)和歐姆定律的應(yīng)用，關(guān)鍵是讀懂題意得出無論設(shè)定溫度的高低、電路中的總電阻不變，對(duì)學(xué)生分析信息、得出有用信息的能力要求較高．