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LED照亮上海世博会 江苏省苏州工业园区第十中学 陈 刚 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。
（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。
（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：  
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。 (责任编辑：admin) |