電水壺的維修和熱效率測量

　　摘 要：利用物理課上所學(xué)的電學(xué)知識維修了家庭自用電水壺，通過設(shè)計實驗測量了電水壺加熱的效率，并對測量結(jié)果及相關(guān)知識進行了討論。
　　關(guān)鍵詞：電水壺；維修；熱效率；測量
　　
　　一、問題提出
　　泡咖啡、泡茶、泡面、喝剛燒好的新鮮開水，這些都是現(xiàn)代都市人的生活習(xí)慣。快速電水壺能在最短的時間內(nèi)提供沸水，這正好與現(xiàn)代人的生活節(jié)奏合拍。電水壺隨時可以用熱水泡出一杯清香的茶水。
　　有一次電水壺突然出現(xiàn)故障，不能正常燒水了。我決定利用物理課上所學(xué)的電路知識解決此問題。通過做實驗的方法，深刻理解電能轉(zhuǎn)化為熱能的有關(guān)問題，利用此電水壺測量了它加熱的效率，并鞏固了課上所學(xué)的萬用表的使用、電能—熱能轉(zhuǎn)換等相關(guān)的知識。
　　二、實驗?zāi)康?br/>　　1．掌握實物（電水壺）簡易電路圖的繪制方法
　　2．掌握數(shù)字萬用表的測量原理，正確使用數(shù)字萬用表測量電阻、電流和電壓
　　3．掌握電能—熱能轉(zhuǎn)換的原理，學(xué)會測量電器的熱效率
　　4．學(xué)會多次測量的結(jié)果表示方法，分析單次測量和多次測量對實驗結(jié)果的影響
　　5．培養(yǎng)利用課本所學(xué)的知識解決實際問題的能力
　　三、實驗原理
　　1．電水壺的工作原理
　　當水壺放在底座上時，壓下壓鍵開關(guān)，接通了電路。如果三相插頭插入插線板后，就接通了電源，電源指示燈亮，反之就斷開。
　　該電水壺有手動和自動兩種工作狀態(tài)。當按鈕開關(guān)撥到手動擋時，加熱電阻連入，開始加熱，水沸騰以后再手動將按鈕開關(guān)撥回。當按鈕開關(guān)撥到自動擋時，此時通過ST溫控器將加熱電阻連入，并開始加熱；當水沸騰后，ST溫控器的觸點斷開，進入非加熱狀態(tài)，指示為可以飲用的開水的燈亮；當水的溫度低于某溫度后，ST溫控器又重新接通，再次進入加熱狀態(tài)。
　　通過分析討論電水壺的工作原理，畫出電路圖，在此基礎(chǔ)上利用數(shù)字萬用表查找問題，進行維修。
　　2．電能—熱能轉(zhuǎn)換
　　通過電動機可以將電能轉(zhuǎn)換為機械能，電燈將電能轉(zhuǎn)換為熱能和光能，電熱器、電水壺可以將電能轉(zhuǎn)換為熱能等等。電流做功的過程，實際上是電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的過程。電流做了多少功，就有多少電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。
　　本文以電水壺為例，推導(dǎo)電能—熱能轉(zhuǎn)換過程中的有關(guān)計算，并以此為原理設(shè)計實驗，測量電水壺工作的效率。對于其他電器可以同理進行研究。
　　計算電水壺加熱器的電阻R
　　計算水所吸收的熱量Q吸
　　水的質(zhì)量：m=V·ρ
　　式中，V——水的體積，ρ——水的密度。
　　Q吸=C水·m·ΔT=C水·m·（T2-T1）
　　式中，C水——水的比熱容，ΔT——水加熱后的溫T2度與水初溫T1之差。
　　計算電水壺工作的效率η
　　利用數(shù)字萬用表測得電源的實際電壓U實，計算電水壺的實際功率P實
　　則，電水壺工作的效率為
　　η=Q/W=Q/（P實t）
　　四、實驗儀器設(shè)備
　　WSJ-60型電水壺（額定電壓：220 V，50 Hz，額定功率：600 W，容量：1.2 L），插線板，UT51數(shù)字萬用表，導(dǎo)線，溫度計，量筒（500mL）。
　　五、實驗內(nèi)容及原始數(shù)據(jù)
　　1．繪制電水壺的電路圖
　　按照電水壺正常使用的工作原理，畫出電水壺的電路圖，如圖1。其中，L1為電源指示燈、L2為非加熱指示燈、L3為加熱指示燈，R1、R2、R3分別為各指示燈的保護電阻；R為加熱器；S1、S2為壓鍵開關(guān)；ST溫控器是一個雙金屬片溫控開關(guān)，當溫度較低時，其處于閉合狀態(tài)，當溫度升高到一定值后，會自動斷開，從而實現(xiàn)了自動溫度開關(guān)控制。
　　用數(shù)字萬用表測量R1、R2、R3，其大小約為340 kΩ；加熱器R的電阻約為90 Ω。
　　2．電水壺故障診斷維修
　　故障：通電后不加熱，但指示燈亮。
　　診斷與維修：通電后電源指示燈亮，說明電源已加入指示燈電路；通電后不加熱，說明故障在加熱器或其連接部分，常見加熱器損壞或者某連接處斷路。
　　拆下加熱器，用數(shù)字萬用表測量其阻值可以判斷加熱器是否損壞；斷路的問題也可以用數(shù)字萬用表來解決，通過測量電流來檢查斷路的位置。
　　首先切斷電源，取下水壺，將電水壺底座翻過來，擰下壺底的兩顆固定螺釘，將底座拆開。然后使用數(shù)字萬用表測量加熱器的阻值來判斷加熱器是否損壞，經(jīng)過測量加熱器未損壞，其電阻值約90 Ω。最后，沿著電路，用萬用表逐段測量電流，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一段電路電流為零，發(fā)生了斷路。仔細檢查這一段電路，發(fā)現(xiàn)金屬片旁邊的塑料斷裂，金屬片不能被卡緊，導(dǎo)致金屬片與其兩端的連接發(fā)生問題，引起斷路。找了兩段導(dǎo)線將此金屬片兩端分別與連接的部件連接良好。維修完畢重新裝配時，必須保持各零部件安裝位置準確。
　　電水壺通電后使用正常。
　　3．測量電水壺加熱的效率
　　記錄電水壺銘牌：額定電壓220 V，50 Hz，額定功率600 W，容量：1.2 L。
　　使用數(shù)字萬用表測量加熱器的阻值為：R測=90 Ω
　　每次實驗前，用萬用表測量電源的實際電壓U實，每次實驗時，用500 mL量筒定量量取1 L水加入到電水壺中，用溫度計測量水的初始溫度T1；接通電源開始加熱；水沸騰后，ST溫控器的觸點斷開，停止加熱，試驗結(jié)束，此時水的溫度T2=100℃，記錄所用的時間t。
　　六、數(shù)據(jù)處理及結(jié)論
　　根據(jù)P額=U額2/R，得：R計算=U額2/P額=80.67 Ω
　　實測電阻值與理論計算值之間有一定的誤差。以下數(shù)據(jù)處理過程中均采用R計算=80.67 Ω。
　　每次試驗水的質(zhì)量為：m=V·ρ=2×500×10-3×1.0=1.0 kg
　　水的比熱容C水=4.2×103J/（kg·℃）
　　5次測量電水壺?zé)嵝实钠骄禐椋?br/>　　七、實驗結(jié)果的分析與討論
　　1．電水壺?zé)崃繐p失的原因
　　電水壺可以將電能轉(zhuǎn)換為熱能，本實驗測量電水壺?zé)^程中實際的能量轉(zhuǎn)化效率，結(jié)果只有85.75%左右，說明電水壺產(chǎn)生的熱量沒有全部被水吸收，分析熱量損失的原因有以下幾個方面。
　　（1）電水壺壺體材質(zhì)是合金，導(dǎo)熱效果好，易吸收熱量并使熱量散失，對電水壺的實際加熱效果產(chǎn)生影響，導(dǎo)致熱效率測量的結(jié)果偏低；
　　（2）周圍空氣吸收了一部分熱量；
　　（3）汽化帶走了一部分熱量；
　　（4）電水壺內(nèi)水垢阻礙熱傳遞，致使熱效率測量的結(jié)果偏低；
　　（5）用電高峰時家庭電路的實際電壓低于220 V，電水壺實際工作電壓小于額定電壓。
　　2．測量結(jié)果的表示方法
　　水的溫度不同，造成量取1 L體積的水的質(zhì)量有誤差，因此，各次測量結(jié)果之間有誤差。方法的精密度可以5次測量結(jié)果的相對標準偏差來表示，RSD為0.5%。
　　用多次測量的平均值及其置信區(qū)間表示結(jié)果，比用單次測量值表示結(jié)果更準確。
　　3．電水壺是我們熟悉的家用電器，根據(jù)電水壺的結(jié)構(gòu)和使用情況，可以聯(lián)想到以下幾方面物理知識
　　（1）壺身和壺嘴上部開口，下部相連，構(gòu)成連通器；
　　（2）壺蓋開有小孔，在大氣壓的作用下，水容易倒出；
　　（3）電水壺使用三相電源插頭的理由是防觸電；
　　（4）壺把加裝膠木，是因為膠木具有良好的隔熱、絕緣性能。
　　4.結(jié)論
　　根據(jù)P實=U2實/R計算電能做的總功W時，如果利用萬用表測定的電阻值R測=90 Ω，這種情況下電水壺工作效率（95.68%）比采用R計算=80.67 Ω時計算的效率（85.75%）高。
　　當然，電能做的總功W還可以采用電表讀數(shù)的方法，讀出在水燒開的時間內(nèi)所耗的電量是多少度，再轉(zhuǎn)換成“焦耳”為單位的量，從而計算電水壺的工作效率。
　　（作者單位 北京人大附中分校）