談電水壺的效率與功率的關(guān)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(zhuǎn)化為水的內(nèi)能，聯(lián)想到能量在轉(zhuǎn)化過程中必然有損耗，在倡導(dǎo)節(jié)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(dá)到我們想要的功效。

關(guān)鍵詞：效率；功率；實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)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(shí)，市場上的水壺樣式、品種繁多，功率有大有小，發(fā)熱方式、功能、形狀等都有所不同。但它們都是由電能轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能，聯(lián)想到能量在轉(zhuǎn)化過程中必然有能量損耗，在倡導(dǎo)節(jié)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(dá)到我們想要的功效。

問題：電水壺的效率與哪些因素有關(guān)呢？

這個(gè)問題留給班上的學(xué)生，通過他們的討論，認(rèn)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(huán)境溫度可能有關(guān)。

也有學(xué)生認(rèn)為水壺的效率與水壺的功率無關(guān)，因?yàn)槲锢砝蠋熤v過功率是做功快慢的量，與效率無關(guān)。也有學(xué)生覺得，水壺的功率大了，燒相同量的水所需的時(shí)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(xué)們決定通過實(shí)驗(yàn)來探究水壺的效率是否與功率有關(guān)，他們設(shè)計(jì)了兩種方案，當(dāng)時(shí)我認(rèn)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(jīng)歷時(shí)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(shí)驗(yàn)步驟：1.把兩只水壺分別加入相同質(zhì)量（不要加滿）、初溫相同的水，放在同一環(huán)境中加熱。2.記錄分別水燒開所需要的時(shí)間

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

數(shù)據(jù)分析、比較：P1t11P2t21P1t12P2t22

P1t13P2t23P1t14P2t24

分析歸納得出結(jié)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(yī)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(shí)驗(yàn)步驟：1.把水壺內(nèi)加入質(zhì)量初溫相同的水，記錄初溫加熱相同時(shí)間后水的末溫（水還沒燒開，時(shí)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(shù)據(jù)分析：比較t11-t0p1t21-t0p2t12-t0p1t22-t0p2

t13-t0p1t23-t0p2t14-t0p1t24-t0p2

分析歸納得出結(jié)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示第一種實(shí)驗(yàn)方案功率的電水壺效率也大，第二種實(shí)驗(yàn)方案功率大的效率要低些。為什么實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同呢？多次實(shí)驗(yàn)也基本如此。

我在重復(fù)做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)后，也發(fā)現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象。仔細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，熱水壺的能量損失主要表現(xiàn)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(zhì)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?zé)?，時(shí)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(shí)間少，散熱少。所以這種方案得出的結(jié)果是功率大的水壺效率高。第二種方案里水的質(zhì)量、初溫、加熱時(shí)間都相同，從能量損失上看，由于功率大的水壺相同時(shí)間里消耗的電能多，水吸收的熱量也多，因此相同時(shí)間內(nèi)，功率大的水壺里的水的溫度高些，與環(huán)境溫度差值大些，熱傳遞快些，熱量損失快些，從而導(dǎo)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(dǎo)致散熱快慢不同，從而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)然，根據(jù)實(shí)驗(yàn)我們也發(fā)現(xiàn)水壺?zé)男逝c功率有關(guān)，是由于加熱時(shí)間長短不同導(dǎo)致散熱時(shí)間不同，熱量損失不同導(dǎo)致的。

實(shí)驗(yàn)可以將抽象知識變?yōu)檩^直觀，可以將靜變?yōu)閯?，將枯燥乏味的知識變得形象生動。老師演示實(shí)驗(yàn)?zāi)芤龑?dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但學(xué)生在觀察實(shí)驗(yàn)時(shí)，自然也會產(chǎn)生自己動手的欲望。讓學(xué)生多動手做實(shí)驗(yàn)，這不僅可以滿足學(xué)生操作的愿望，更重要的是可以讓學(xué)生不斷體會到“發(fā)現(xiàn)”和“克服困難解決問題”獲得成功后的喜悅，這樣增強(qiáng)學(xué)習(xí)的信心和欲望。

由這個(gè)實(shí)驗(yàn)我也有所啟示：紙上得來總膚淺，做好實(shí)驗(yàn)收獲多。設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)并不簡單，要考慮眾多因素，如：器材（易取，安全，數(shù)據(jù)采集方便，誤差小）、設(shè)計(jì)方案（實(shí)驗(yàn)易操作，控制變量，其他可能影響的因素等），實(shí)驗(yàn)后數(shù)據(jù)處理，誤差分析，問題反思很關(guān)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(jìn)步的階梯。