2010年5月1日,为期184天的上海世博会在黄浦江畔拉开帷幕。璀璨的夜景,是上海世博会亮点之一,而这主要归功于大规模LED(发光二极管)照明新技术的新应用。夜晚的世博被LED装点得仍然是美轮美仑。作为一种新型固态光源。LED具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、可靠性高等特点,目前已被世界公认为一种节能环保的重要照明材料。在今年各地的中考物理试题中也出现了许多的LED为题材的试题。
1.(2010·广东)如图1所示是太阳能LED照明路灯。它主要由太阳能电池板、LED灯头等部分构成。LED是一种发光二极管,通过电流能够发光,可以把电能直接转化成________能。
分析:LED是一种发光的二极管,当电流通过它时能够发光,因此它可以将电能直接转化为光能。故应填入“光”。
2.(2010·芜湖)2010年3月,国内最大的LED产业园落户芜湖,这是我市谋划“低碳发展”的重要举措。LED是一种发光二极管,因寿命长、光效高开始广泛用于照明,图2是LED灯的原理电路,请在图中标出电源的正极。一般单个LED亮度不能满足照明需要,常用数个LED联组成LED灯,工作时灯内的数个LED彼此互不影响。
分析:根据题意可知,LED是一种发光二极管,而二极管具有单向导电性,根据图2中二极管的接法可知电源的左边为正极,右边为负极,因此标出的电源正极如图3所示,由于数个LED彼此互不影响,因此它们应相互并联接入电路。
3.(2010·綦江)人类正面临能源危机,为了找到更节能的光源,科学家做了大量的实验,实验发现下表中的LED灯和白炽灯在正常工作时,光照强度相同。
类型 | LED灯 | 白炽灯 |
发光原理 | 二极管发光 | 钨丝高温发光 |
额定电压 | 24伏 | 220伏 |
响应时间 | 10-9秒 | 10-3秒 |
额定功率 | 12瓦 | 100瓦 |
(1)由表中给出的信息知道:“LED”灯和白炽灯的发光原理是的(选填“相同”或“不相同”);
(2)“LED”灯正常发光时的电流是;正常工作1h,使用“LED”灯比白炽灯要节约kW·h的电能。
分析:(1)由表格提供的信息可知,LED灯的发光原理是二极管发光,白炽灯的发光原理是钨丝高温发光,因此它们的发光原理是不同的。(2)由于LED灯的额定电压U=24V,额定功率P=12W,因此LED灯正常工作时的电流为,正常工作t=1h消耗的电能为WLED=Pt=0.012kW×1h=0.012kWh;白炽灯正常工作1h消耗的电能为W白=P′t=0.1kWh×1h=0.1kWh,则使用LED灯比使用白炽灯工作1h节省的电能为W=W白-WLED=0.1kWh-0.012kWh=0.088kWh。
4.(2010·衢州)清华大学的虞昊教授致力于第三代照明技术──LED灯的普及工作。LED灯的能耗小,造价低廉,使用寿命长。虞昊自制的LED台灯,用电压为6伏的电源供电,正常工作电流为300毫安。那么,此LED台灯正常工作时的功率为
A.1.8瓦 B.18瓦 C.180 瓦 D.1800瓦
分析:由题意可知,该LED台灯正常工作的电压为U=6V,通过的电流为I=300mA=0.3A,则正常工作时的电功率为P=UI=6V×0.3A=1.8W。故应选A。
5.(2010·江西)2009年10月1日的国庆联欢会晚会上,有一个漂亮的“光立方”,它是由4028棵“发光树”组成的。如图4所示,每棵“发光树”上有168个LED灯(发光二极管),在得到同样亮度的情况下,其耗电量不到白炽灯的十分之一。
(1)若每个LED灯的功率为0.1W,则一棵“发光树”正常工作100min消耗了多少电能?
(2)若一棵这样的“发光树”正常工作100min消耗的电能全部用来水加热,在一标准大气压下可以把质量多少kg 20℃的水烧开?
分析:(1)由于每个LED灯的功率P=0.1W,则一棵“发光树”上的168个LED灯正常工作t=100min=6×103s消耗的电能为W=Pt×168=0.1W×6×103s×168=1.008×105J。(2)根据Q=cm(t-t0)可知,水的质量为m==
=
。
6.(2010·嘉兴)2010年世博会全面使用一种名叫LED灯的新型节能灯。使用LED灯比旧式灯泡节能90℅,且发出光的颜色会随电压的变化而变化(见下表)。图5乙是世博会的吉祥物──“海宝”,夜晚在LED灯的照射下,能呈现出不同的颜色,形象十分可爱。
(1)根据表中数据,当LED灯发出红光时,消耗的电功率是▲瓦。
(2)把一个LED灯接入如图5甲所示的电路中,已知电源电压为5伏且保持不变,电阻R为90欧姆。闭合开关后,毫安表(比安培表更精确的电流表)的读数为20毫安,通过计算说明此时LED灯发出什么颜色的光?
分析:(1)根据表格可知,当LED灯发生红色光时,LED灯两端的电压为U红=1.8V,通过LED灯的电流为I红=20mA=0.02A,因此它消耗的电功率为P红=U红I红=1.8V×0.02A=0.036W。(2)由图5甲的电路图可知,此时LED灯跟电阻R串联,电路中的电流为I=20mA=0.02A,因此R两端的电压为UR=IR=0.02A×90Ω=1.8V,根据串联电路的电压规律可得,LED两端的电压为U灯=U-UR=5V-1.8V=3.2V,查表可知此时LED灯应发出蓝色的光。
7.(2010·长沙)LED灯(发光二极管)具有高亮度、低能耗的优点。LED景观照明技术使得上海世博园区的各大场馆如梦如幻;阳光谷或繁星点点,或彩虹飘舞,石油馆红橙黄绿色彩变换无穷……问:
(1)如图6是某种额定电压为3V的LED灯的I-U图象。它正常工作100s消耗的电能为多少焦耳?
(2)世博场馆室内照明光源中心大部分采用了LED绿色光源,若LED照明光源4h内可节约电能1.05×1012J,这些电能可让多少千克的水温度从20℃上升到70℃?(不计热量损失,c水=4.2×103J/(kg·℃))
分析:(1)由图6可知,当LED灯两端的电压为U=3V时,通过的电流为I=20mA=0.02A,它正常工作100s,消耗的电能为W=UIt=3V×0.02A×100s=6W。(2)根据物体吸收的热量与物质的比热容、质量和温度变化的关系Q=cm(t-t0)可得,水的质量为m==
。
8.(2010·台州)太阳能路灯是目前大力推广的高效节能路灯,只要将我国总数1亿盏路灯中的6000万盏改成太阳能路灯,每年就可节省相当于一个三峡水电站的发电量。图7甲是某小区安装的太阳能路灯及其能量流程图,图7乙是这样路灯中LED发光二极管的伏安特性曲线。
(1)LED发光二极管的额定电压为3.5伏,请根据曲线计算它的额定功率。
(2)从LED发光二极管的伏安特曲线可知,当它的电压在2.5伏~3.6伏之间发生微小变化时,LED的电功率大约要变化几百倍,设计者在电路中接入了PWM控制器,请你猜想:PWM控制器在电路中的作用是通过让路灯稳定发光的。
蓄电池 | 容量(注:Ah表示安·小时) |
甲 | “12V 25Ah” |
乙 | “12V 45Ah” |
乙 | “12V 65Ah” |
(3)与太阳能电池板配套的蓄电池,既要防止阴雨期容量不足,达不到供电需求,又要避免容量过大,造成浪费。现有5支2瓦的LED发光二极管由同一蓄电池供电,每天照明8小时,为保证3个连续阴雨天的供电,根据表中信息,请通过计算选择最佳的蓄电池。(注:为了延长蓄电池寿命,连续阴雨天的用电量不能超过蓄电池容量的50%)
分析:(1)由图7乙的图像可知,当LED两端的额定电压U额=3.5V,通过LED的额定电流为I额=600mA=0.6A,则LED的额定功率为P额=U额I额=3.5V×0.6A=2.1W。(2)灯泡的亮暗是由它的实际功率决定的,控制LED稳定发光,即在工作时LED的电功率保持不变,根据P=UI可知,设计者是利用PWM控制器稳定LED两端的电压不变,从而使LED灯的亮度不变,当然该问回答成控制电流不变、调节电压或调节电流等均可。(3)根据题意可知,5支电功率P=2W的LED灯,每天照明t=8h,连续工作3天消耗的电能为W=Pt×5×3=2W×8h×5×3=240Wh。由于连续用电量不能超过蓄电池容量的50%,因此在三天连续工作的过程中,蓄电池储存的电能至少为W总==
,由表可知三种蓄电池的额定电压均为U=12V,则所选择蓄电池的容量至少为C=
。为了保证能够连续工作三天又防止容量过大造成浪费,因此应选用容量比40Ah略大的蓄电池乙。
9.(2010·扬州)阅读短文,回答问题。
夜幕下,扬州“第一大道”文昌路边LED灯将道路照得犹如白昼,这种LED灯是通过光电转换来供电的。图8是扬州某小区利用太阳能给LED路灯供电的自动控制电路的原理示意图。其中,R是光敏电阻,此光敏电阻的阻值R、流过线圈电流I与光照度E(单位勒克斯,符号lx)之间的几次实验数据如下表所示:
光照度E/lx | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 |
光敏电阻R/Ω | 60 | 30 | 20 | 15 | 12 | 10 |
线圈中电流I/mA | 21.4 | 27.3 | 30.0 | 31.6 | 32.6 | 33.3 |
当线圈A中的电流I≥30.0mA时,动触点D与静触点G、H接触。
(1)由表格中数据可知,光敏电阻的阻值R随光照度E的增强而________。
(2)白天,太阳能电池板将__________能转化为__________能,这种能量通过再次转化储存在大容量蓄电池内。傍晚,当光照度小于__________1x(勒克斯)时,路灯开始工作。
(3)请用铅笔画线将电路原理图连接完整,使工作电路能正常工作(与触点的接线只能接在静触点上,图8中已给出静触点E、F、G、H的四根引线;连线不能交叉)。
(4)一只功率为6W的LED灯,通电后其发光亮度相当于30W的日光灯。某间教室有24盏30W的日光灯,每天平均使用2h,如果能用6W的LED灯进行照明,则一个月(按30天计算)可节约电能__________kWh。
(5)据有关部门发布消息,5年内全市小区将全面覆盖LED路灯。但目前有部分市民反映LED路灯亮度不够,请你提出一条能提高亮度的合理化的建议:____。
分析:(1)由表格可知,随着光照度增强,光敏电阻的阻值在变小。(2)太阳能电池板将太阳能直接转化为电能。根据题意可知当线圈A中的电流I≥30mA时,动触点D与静触点G、H接触,由表格可知此时光照度E≥15lx。反之当A中的I≤30mA时,动触点D与静触点E、F接触,此时光照度E<15lx。(3)根据实际生活的经验生活,设装置应该在白天利用太阳能电池板给蓄电池充电,晚上利用蓄电池给LED路灯供应。因此不管是白天还是晚上蓄电池都应接在电路中,相当于电路的干路部分,而LED路灯和太阳能电池板应各自独立工作,互不影响,相当于两条支路。根据题(2)分析可知,当电流I≥30.0mA,即在白天时,开关G、H闭合;当电流I≤30mA,即在夜晚时,开关E、F闭合,即静触点G、H控制太阳能电池板,E、F控制LED路灯,根据上述分析,遵循导线不交叉的原则连接的电路如图9所示。(4)24只功率P1=6W的LED灯,每天工作t=2h消耗的电能为W1=P1t×24=6W×2h×24=288Wh,24只功率P2=30W的日光灯,每天工作t=2h消耗的电能为W2=P2t×24=30W×2h×24=1440Wh。则替换后,每月节省的电能为W=(W2-W1)×30=(1440-288)Wh×30=34560Wh=34.56kWh。(5)LED路灯的亮度不够,说明实际功率过小,为了提高亮度可以换用额定功率较大的LED灯。
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