电水壶的维修和热效率测量
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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。
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）