談電水壺的效率與功率的關系

劉高斌

摘要：電水壺是家庭中常見的電器之一，它們都是將電能轉化為水的內能，聯想到能量在轉化過程中必然有損耗，在倡導節能減排的今天，怎樣減小電水壺在燒水過程中的能量損耗，或者說要省電些，就需要我們挑選一只效率更高的電水壺，以便達到我們想要的功效。

關鍵詞：效率；功率；實驗

中圖分類號：G633.7文獻標識碼：A 文章編號：1992-7711（2016）21-091-1電水壺是家庭中常見的電器之一，在購買電水壺時，市場上的水壺樣式、品種繁多，功率有大有小，發熱方式、功能、形狀等都有所不同。但它們都是由電能轉化為水的內能，聯想到能量在轉化過程中必然有能量損耗，在倡導節能減排的今天，怎樣減小電水壺在燒水過程中的能量損耗，或者說要省電些，就需要我們挑選一只效率更高的電水壺，以便達到我們想要的功效。

問題：電水壺的效率與哪些因素有關呢？

這個問題留給班上的學生，通過他們的討論，認為燒水過程其能量損耗主要為熱量損失，即水壺本身吸收熱量，往空氣中散失的熱量。由此，他們提出以下猜想，即電水壺的效率可能與水壺的款式、功率、水量、環境溫度可能有關。

也有學生認為水壺的效率與水壺的功率無關，因為物理老師講過功率是做功快慢的量，與效率無關。也有學生覺得，水壺的功率大了，燒相同量的水所需的時間就短了，從而往空氣及周圍散熱就少了，效率就高了。

小組同學們決定通過實驗來探究水壺的效率是否與功率有關，他們設計了兩種方案，當時我認為都可行。

思路1：η=Q吸W電=cm水Δtp·t控制Q吸相同，比pt。

即：取同一款式，但功率分別為P1、P2的電水壺各一只，注入同樣多的初溫相同的水，分別燒開（取水開后能自動斷開的電水壺）。記錄兩只水壺分別把水燒開經歷時間t1、t2。

η1=c水m水Δtp1·t1η2=c水m水Δtp2·t2

器材：相同款式、容量，但功率不同的（有溫度顯示）水壺各一只，秒表、小燒杯

實驗步驟：1.把兩只水壺分別加入相同質量（不要加滿）、初溫相同的水，放在同一環境中加熱。2.記錄分別水燒開所需要的時間

水壺1（800W）燒開的時間水壺2（1500W）燒開的時間1t11=t21=2t12=t22=3t13=t23=4t14=T24=3.改變加入水的質量，（用小燒杯注入相同量的水，例如，兩個電水壺各加入2杯水）重復步驟2，完成表格2、3、4兩次實驗。

數據分析、比較：P1t11P2t21P1t12P2t22

P1t13P2t23P1t14P2t24

分析歸納得出結論：款式、容量、品牌相同的水壺，功率大的效率就高，功率小的效率就低。

思路2：η=Q吸W電=c水m水Δtp·t

控制m水相同，加熱t相同，記錄不同功率的水壺的水升高的溫度，即比Δtp的大小。

器材：同上

實驗步驟：1.把水壺內加入質量初溫相同的水，記錄初溫加熱相同時間后水的末溫（水還沒燒開，時間不宜太長）。

加熱1min后

的溫度（℃）加熱1.5min后

的溫度（℃）加熱2min后

的溫度（℃）加熱2.5min后

的溫度（℃）水壺1t11t12t13t14水壺2t21t22t23t24水的初溫：℃

數據分析：比較t11-t0p1t21-t0p2t12-t0p1t22-t0p2

t13-t0p1t23-t0p2t14-t0p1t24-t0p2

分析歸納得出結論：款式、容量、品牌相同的水壺，功率大的效率反而低，功率小的效率反而高。

然而實驗數據顯示第一種實驗方案功率的電水壺效率也大，第二種實驗方案功率大的效率要低些。為什么實驗結果不同呢？多次實驗也基本如此。

我在重復做了這個實驗后，也發現這個現象。仔細分析后發現，在這個實驗中，熱水壺的能量損失主要表現為水壺自身吸收的熱量，空氣中閃失的熱量。第一種方案里，兩壺同樣質量的水，水、壺吸收的熱量基本相同，從能量損失角度看，由于水壺的功率不同，功率大的水壺燒水更快，時間短些，溫度最終都一樣，所以功率大的水壺往空氣中散熱時間少，散熱少。所以這種方案得出的結果是功率大的水壺效率高。第二種方案里水的質量、初溫、加熱時間都相同，從能量損失上看，由于功率大的水壺相同時間里消耗的電能多，水吸收的熱量也多，因此相同時間內，功率大的水壺里的水的溫度高些，與環境溫度差值大些，熱傳遞快些，熱量損失快些，從而導致功率大的水壺效率低。即第二種方案里由于沒有控制溫度相同，導致散熱快慢不同，從而影響實驗結果。當然，根據實驗我們也發現水壺燒水的效率與功率有關，是由于加熱時間長短不同導致散熱時間不同，熱量損失不同導致的。

實驗可以將抽象知識變為較直觀，可以將靜變為動，將枯燥乏味的知識變得形象生動。老師演示實驗能引導學生的學習興趣，但學生在觀察實驗時，自然也會產生自己動手的欲望。讓學生多動手做實驗，這不僅可以滿足學生操作的愿望，更重要的是可以讓學生不斷體會到“發現”和“克服困難解決問題”獲得成功后的喜悅，這樣增強學習的信心和欲望。

由這個實驗我也有所啟示：紙上得來總膚淺，做好實驗收獲多。設計好實驗并不簡單，要考慮眾多因素，如：器材（易取，安全，數據采集方便，誤差小）、設計方案（實驗易操作，控制變量，其他可能影響的因素等），實驗后數據處理，誤差分析，問題反思很關鍵，他是我們出題的源泉，是獲取能量的一種途徑，也是自身不斷進步的階梯。