电水壶的维修和热效率测量

　　摘 要：利用物理课上所学的电学知识维修了家庭自用电水壶，通过设计实验测量了电水壶加热的效率，并对测量结果及相关知识进行了讨论。
　　关键词：电水壶；维修；热效率；测量
　　
　　一、问题提出
　　泡咖啡、泡茶、泡面、喝刚烧好的新鲜开水，这些都是现代都市人的生活习惯。快速电水壶能在最短的时间内提供沸水，这正好与现代人的生活节奏合拍。电水壶随时可以用热水泡出一杯清香的茶水。
　　有一次电水壶突然出现故障，不能正常烧水了。我决定利用物理课上所学的电路知识解决此问题。通过做实验的方法，深刻理解电能转化为热能的有关问题，利用此电水壶测量了它加热的效率，并巩固了课上所学的万用表的使用、电能—热能转换等相关的知识。
　　二、实验目的
　　1．掌握实物（电水壶）简易电路图的绘制方法
　　2．掌握数字万用表的测量原理，正确使用数字万用表测量电阻、电流和电压
　　3．掌握电能—热能转换的原理，学会测量电器的热效率
　　4．学会多次测量的结果表示方法，分析单次测量和多次测量对实验结果的影响
　　5．培养利用课本所学的知识解决实际问题的能力
　　三、实验原理
　　1．电水壶的工作原理
　　当水壶放在底座上时，压下压键开关，接通了电路。如果三相插头插入插线板后，就接通了电源，电源指示灯亮，反之就断开。
　　该电水壶有手动和自动两种工作状态。当按钮开关拨到手动挡时，加热电阻连入，开始加热，水沸腾以后再手动将按钮开关拨回。当按钮开关拨到自动挡时，此时通过ST温控器将加热电阻连入，并开始加热；当水沸腾后，ST温控器的触点断开，进入非加热状态，指示为可以饮用的开水的灯亮；当水的温度低于某温度后，ST温控器又重新接通，再次进入加热状态。
　　通过分析讨论电水壶的工作原理，画出电路图，在此基础上利用数字万用表查找问题，进行维修。
　　2．电能—热能转换
　　通过电动机可以将电能转换为机械能，电灯将电能转换为热能和光能，电热器、电水壶可以将电能转换为热能等等。电流做功的过程，实际上是电能转化为其他形式的能的过程。电流做了多少功，就有多少电能转化为其他形式的能。
　　本文以电水壶为例，推导电能—热能转换过程中的有关计算，并以此为原理设计实验，测量电水壶工作的效率。对于其他电器可以同理进行研究。
　　计算电水壶加热器的电阻R
　　计算水所吸收的热量Q吸
　　水的质量：m=V·ρ
　　式中，V——水的体积，ρ——水的密度。
　　Q吸=C水·m·ΔT=C水·m·（T2-T1）
　　式中，C水——水的比热容，ΔT——水加热后的温T2度与水初温T1之差。
　　计算电水壶工作的效率η
　　利用数字万用表测得电源的实际电压U实，计算电水壶的实际功率P实
　　则，电水壶工作的效率为
　　η=Q/W=Q/（P实t）
　　四、实验仪器设备
　　WSJ-60型电水壶（额定电压：220 V，50 Hz，额定功率：600 W，容量：1.2 L），插线板，UT51数字万用表，导线，温度计，量筒（500mL）。
　　五、实验内容及原始数据
　　1．绘制电水壶的电路图
　　按照电水壶正常使用的工作原理，画出电水壶的电路图，如图1。其中，L1为电源指示灯、L2为非加热指示灯、L3为加热指示灯，R1、R2、R3分别为各指示灯的保护电阻；R为加热器；S1、S2为压键开关；ST温控器是一个双金属片温控开关，当温度较低时，其处于闭合状态，当温度升高到一定值后，会自动断开，从而实现了自动温度开关控制。
　　用数字万用表测量R1、R2、R3，其大小约为340 kΩ；加热器R的电阻约为90 Ω。
　　2．电水壶故障诊断维修
　　故障：通电后不加热，但指示灯亮。
　　诊断与维修：通电后电源指示灯亮，说明电源已加入指示灯电路；通电后不加热，说明故障在加热器或其连接部分，常见加热器损坏或者某连接处断路。
　　拆下加热器，用数字万用表测量其阻值可以判断加热器是否损坏；断路的问题也可以用数字万用表来解决，通过测量电流来检查断路的位置。
　　首先切断电源，取下水壶，将电水壶底座翻过来，拧下壶底的两颗固定螺钉，将底座拆开。然后使用数字万用表测量加热器的阻值来判断加热器是否损坏，经过测量加热器未损坏，其电阻值约90 Ω。最后，沿着电路，用万用表逐段测量电流，结果发现一段电路电流为零，发生了断路。仔细检查这一段电路，发现金属片旁边的塑料断裂，金属片不能被卡紧，导致金属片与其两端的连接发生问题，引起断路。找了两段导线将此金属片两端分别与连接的部件连接良好。维修完毕重新装配时，必须保持各零部件安装位置准确。
　　电水壶通电后使用正常。
　　3．测量电水壶加热的效率
　　记录电水壶铭牌：额定电压220 V，50 Hz，额定功率600 W，容量：1.2 L。
　　使用数字万用表测量加热器的阻值为：R测=90 Ω
　　每次实验前，用万用表测量电源的实际电压U实，每次实验时，用500 mL量筒定量量取1 L水加入到电水壶中，用温度计测量水的初始温度T1；接通电源开始加热；水沸腾后，ST温控器的触点断开，停止加热，试验结束，此时水的温度T2=100℃，记录所用的时间t。
　　六、数据处理及结论
　　根据P额=U额2/R，得：R计算=U额2/P额=80.67 Ω
　　实测电阻值与理论计算值之间有一定的误差。以下数据处理过程中均采用R计算=80.67 Ω。
　　每次试验水的质量为：m=V·ρ=2×500×10-3×1.0=1.0 kg
　　水的比热容C水=4.2×103J/（kg·℃）
　　5次测量电水壶热效率的平均值为：
　　七、实验结果的分析与讨论
　　1．电水壶热量损失的原因
　　电水壶可以将电能转换为热能，本实验测量电水壶烧水过程中实际的能量转化效率，结果只有85.75%左右，说明电水壶产生的热量没有全部被水吸收，分析热量损失的原因有以下几个方面。
　　（1）电水壶壶体材质是合金，导热效果好，易吸收热量并使热量散失，对电水壶的实际加热效果产生影响，导致热效率测量的结果偏低；
　　（2）周围空气吸收了一部分热量；
　　（3）汽化带走了一部分热量；
　　（4）电水壶内水垢阻碍热传递，致使热效率测量的结果偏低；
　　（5）用电高峰时家庭电路的实际电压低于220 V，电水壶实际工作电压小于额定电压。
　　2．测量结果的表示方法
　　水的温度不同，造成量取1 L体积的水的质量有误差，因此，各次测量结果之间有误差。方法的精密度可以5次测量结果的相对标准偏差来表示，RSD为0.5%。
　　用多次测量的平均值及其置信区间表示结果，比用单次测量值表示结果更准确。
　　3．电水壶是我们熟悉的家用电器，根据电水壶的结构和使用情况，可以联想到以下几方面物理知识
　　（1）壶身和壶嘴上部开口，下部相连，构成连通器；
　　（2）壶盖开有小孔，在大气压的作用下，水容易倒出；
　　（3）电水壶使用三相电源插头的理由是防触电；
　　（4）壶把加装胶木，是因为胶木具有良好的隔热、绝缘性能。
　　4.结论
　　根据P实=U2实/R计算电能做的总功W时，如果利用万用表测定的电阻值R测=90 Ω，这种情况下电水壶工作效率（95.68%）比采用R计算=80.67 Ω时计算的效率（85.75%）高。
　　当然，电能做的总功W还可以采用电表读数的方法，读出在水烧开的时间内所耗的电量是多少度，再转换成“焦耳”为单位的量，从而计算电水壶的工作效率。
　　（作者单位 北京人大附中分校）