《2026年金考卷中考试题汇编45套物理山东专版》

20. (12分)随着生活水平提高,人们对饮用水的温度需求不断提升。如图所示是物理兴趣小组设计的一款四挡位即热式热水器的简化电路图,电源电压U=220V,R、R₁、R₂是用于加热的电热丝,R₁=22Ω,R₂=55Ω。在热水器容器中倒入常温饮用水后,通过开关S、S₁、S₂可控制相关电热丝工作,实现四个不同加热挡位的切换,加热挡位和对应的功率如表格所示,加热挡位1、2、3、4的功率依次增大,热水器的出水温度依次升高。已知只闭合开关S时,热水器处于加热挡位1的工作状态;开关S、S₁、S₂全部闭合时,热水器处于加热挡位4的工作状态。水的比热容c=4.2×10³J/(kg·℃),水的密度ρ₁=1.0×10³kg/m³。


(1)求电热丝R的阻值;
(2)求挡位2的加热功率P₂;
(3)已知热水器处于挡位3的工作状态时,出水温度为80℃,若水的初温为25℃,出水0.88L用时105s,求挡位3工作的效率η;
(4)若某款家用插排允许通过最大电流为16A,分析说明此热水器能不能接入该插排实现挡位4的正常工作。

答案： 20.
(1)只闭合开关S，热水器处于挡位1的工作状态，此时只有电热丝R工作，由P = U²/R得，电热丝R的阻值R = U²/P₁ = (220V)²/220W = 220Ω
(2)当闭合开关S和S₂时，电热丝R和R₂并联，此时热水器处于挡位2的工作状态
电热丝R₂的功率P₂ = U²/R₂ = (220V)²/55Ω = 880W
挡位2的加热功率P₂ = P₁ + P₂ = 220W + 880W = 1100W
(3)当闭合开关S和S₁时，电热丝R和R₁并联，此时热水器处于挡位3的工作状态
电热丝R₁的功率P₁ = U²/R₁ = (220V)²/22Ω = 2200W
挡位3的加热功率P₃ = P₁ + P₁ = 220W + 2200W = 2420W
用时105s消耗的电能W = P₃t = 2420W×105s = 254100J
0.88L水的质量m = ρ水V = 1.0×10³kg/m³×0.88×10⁻³m³ = 0.88kg
水温度的变化量Δt = 80℃ - 25℃ = 55℃
水吸收的热量Q = cmΔt = 4.2×10³J/(kg·℃)×0.88kg×55℃ = 203280J
挡位3工作的效率η = Q/W = 203280J/254100J = 0.8 = 80%
(4)挡位4时，电热丝R、R₁、R₂并联
挡位4的加热功率P₄ = P₃ + P₂ = 2420W + 880W = 3300W
由P = UI得，挡位4工作时的电流I = P₄/U = 3300W/220V = 15A ＜ 16A，因此热水器能接入该插排实现挡位4的正常工作