谈电水壶的效率与功率的关系

刘高斌

摘要：电水壶是家庭中常见的电器之一，它们都是将电能转化为水的内能，联想到能量在转化过程中必然有损耗，在倡导节能减排的今天，怎样减小电水壶在烧水过程中的能量损耗，或者说要省电些，就需要我们挑选一只效率更高的电水壶，以便达到我们想要的功效。

关键词：效率；功率；实验

中图分类号：G633.7文献标识码：A 文章编号：1992-7711（2016）21-091-1电水壶是家庭中常见的电器之一，在购买电水壶时，市场上的水壶样式、品种繁多，功率有大有小，发热方式、功能、形状等都有所不同。但它们都是由电能转化为水的内能，联想到能量在转化过程中必然有能量损耗，在倡导节能减排的今天，怎样减小电水壶在烧水过程中的能量损耗，或者说要省电些，就需要我们挑选一只效率更高的电水壶，以便达到我们想要的功效。

问题：电水壶的效率与哪些因素有关呢？

这个问题留给班上的学生，通过他们的讨论，认为烧水过程其能量损耗主要为热量损失，即水壶本身吸收热量，往空气中散失的热量。由此，他们提出以下猜想，即电水壶的效率可能与水壶的款式、功率、水量、环境温度可能有关。

也有学生认为水壶的效率与水壶的功率无关，因为物理老师讲过功率是做功快慢的量，与效率无关。也有学生觉得，水壶的功率大了，烧相同量的水所需的时间就短了，从而往空气及周围散热就少了，效率就高了。

小组同学们决定通过实验来探究水壶的效率是否与功率有关，他们设计了两种方案，当时我认为都可行。

思路1：η=Q吸W电=cm水Δtp·t控制Q吸相同，比pt。

即：取同一款式，但功率分别为P1、P2的电水壶各一只，注入同样多的初温相同的水，分别烧开（取水开后能自动断开的电水壶）。记录两只水壶分别把水烧开经历时间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（有温度显示）水壶各一只，秒表、小烧杯

实验步骤：1.把两只水壶分别加入相同质量（不要加满）、初温相同的水，放在同一环境中加热。2.记录分别水烧开所需要的时间

水壶1（800W）烧开的时间水壶2（1500W）烧开的时间1t11=t21=2t12=t22=3t13=t23=4t14=T24=3.改变加入水的质量，（用小烧杯注入相同量的水，例如，两个电水壶各加入2杯水）重复步骤2，完成表格2、3、4两次实验。

数据分析、比较：P1t11P2t21P1t12P2t22

P1t13P2t23P1t14P2t24

分析归纳得出结论：款式、容量、品牌相同的水壶，功率大的效率就高，功率小的效率就低。

思路2：η=Q吸W电=c水m水Δtp·t

控制m水相同，加热t相同，记录不同功率的水壶的水升高的温度，即比Δtp的大小。

器材：同上

实验步骤：1.把水壶内加入质量初温相同的水，记录初温加热相同时间后水的末温（水还没烧开，时间不宜太长）。

加热1min后

的温度（℃）加热1.5min后

的温度（℃）加热2min后

的温度（℃）加热2.5min后

的温度（℃）水壶1t11t12t13t14水壶2t21t22t23t24水的初温：℃

数据分析：比较t11-t0p1t21-t0p2t12-t0p1t22-t0p2

t13-t0p1t23-t0p2t14-t0p1t24-t0p2

分析归纳得出结论：款式、容量、品牌相同的水壶，功率大的效率反而低，功率小的效率反而高。

然而实验数据显示第一种实验方案功率的电水壶效率也大，第二种实验方案功率大的效率要低些。为什么实验结果不同呢？多次实验也基本如此。

我在重复做了这个实验后，也发现这个现象。仔细分析后发现，在这个实验中，热水壶的能量损失主要表现为水壶自身吸收的热量，空气中闪失的热量。第一种方案里，两壶同样质量的水，水、壶吸收的热量基本相同，从能量损失角度看，由于水壶的功率不同，功率大的水壶烧水更快，时间短些，温度最终都一样，所以功率大的水壶往空气中散热时间少，散热少。所以这种方案得出的结果是功率大的水壶效率高。第二种方案里水的质量、初温、加热时间都相同，从能量损失上看，由于功率大的水壶相同时间里消耗的电能多，水吸收的热量也多，因此相同时间内，功率大的水壶里的水的温度高些，与环境温度差值大些，热传递快些，热量损失快些，从而导致功率大的水壶效率低。即第二种方案里由于没有控制温度相同，导致散热快慢不同，从而影响实验结果。当然，根据实验我们也发现水壶烧水的效率与功率有关，是由于加热时间长短不同导致散热时间不同，热量损失不同导致的。

实验可以将抽象知识变为较直观，可以将静变为动，将枯燥乏味的知识变得形象生动。老师演示实验能引导学生的学习兴趣，但学生在观察实验时，自然也会产生自己动手的欲望。让学生多动手做实验，这不仅可以满足学生操作的愿望，更重要的是可以让学生不断体会到“发现”和“克服困难解决问题”获得成功后的喜悦，这样增强学习的信心和欲望。

由这个实验我也有所启示：纸上得来总肤浅，做好实验收获多。设计好实验并不简单，要考虑众多因素，如：器材（易取，安全，数据采集方便，误差小）、设计方案（实验易操作，控制变量，其他可能影响的因素等），实验后数据处理，误差分析，问题反思很关键，他是我们出题的源泉，是获取能量的一种途径，也是自身不断进步的阶梯。