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力学STS篇
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电灯及其使用中的物理知识


电灯,是我们生活学习中的好帮手,它应用了不少物理知识,也是“从生活走向物理”的好教材之一,同学们你们注意到了吗?   电灯的工作原理   电灯是利用电流的热效应的原理工作的。当电流通过灯丝时,灯丝热到白炽状态就发生很亮的光,将电能转化成灯丝的内能和光能来为我们照明服务。   电灯的灯丝用什么材料做的   电灯的灯丝是熔点高的钨丝做的,这是因为灯泡发光时的温度在2000℃以上,用钨丝比较用。   电灯的灯丝为什么要绕成螺旋状   因为灯泡发光时的温度再2000℃以上,灯丝绕成螺旋状是为了散热,提高灯丝的温度,以便更好的发光。   为什么有的灯泡要抽成真空,有的灯泡要冲入惰性气体?   主要为了防止钨在高温下氧化,小功率的灯泡都抽成真空,而60W以上的灯泡则要冲入氮气、氩气等惰性气体,这些气体可以阻止钨丝在高温下的升华。   如何根据灯丝的粗细比较额定电压相同而额定功率不同的电灯?   灯丝较粗的灯泡额定功率较大,灯丝较细的灯泡额定功率较小。因为灯泡中灯丝的材料相同、灯丝的长度相同,根据电阻的性质,导体面积S大,则电阻R较小;因为额定电压相同,再根据P=U2/R,由于S大,则R小,所以额定功率P较大。   如何比较电灯的亮度   电灯的亮度要比较电灯消耗的实际功率,实际功率大的灯泡亮。例如“220V 25W”和“220V 100W”的两个灯泡,根据R= U2/P可知,25W的灯泡电阻较大,100W的灯泡电阻较小。如果将两等串联,根据P= I2R,I相同,则R大,P大,所以25W的灯泡较亮。如果两等并联,根据P=U2/R,U相同,则R大,P小,此时25W的灯较暗。   灯泡用久了,灯泡的壁为什么会变黑   灯泡使用时,钨丝在高温下升华为钨蒸气,关灯后,温度降低,钨蒸气凝华为粉末状的细小钨颗粒附着凝结在灯泡壁上,时间长久就会变黑。   灯泡的灯丝断了后,如果搭接上为什么显得更亮一些,一般“搭上”的灯使用寿命都不长,这是什么原因?   灯泡的灯丝断了以后,如果搭接上再用,会更亮一些。因为灯丝断了后,长度变短,灯丝的电阻变小,根据P=U2/R,则R小,P大,所以显得更亮一些,但由于消耗的电功率变大了,容易使温度升高而再次烧断灯丝。   同一个灯泡,为什么使用时,深夜比傍晚亮   因为实际的输电线路都存在一定的电阻,当傍晚进入用电高峰时,接入电路的用电增多,致使干路中的电流增大,由于线路中的电阻一定,根据U灯=220V-U线,所以灯泡两端的电压深夜比傍晚大些。再根据P=U2/R,而相同,则U大,P大,所以灯泡使用时深夜比傍晚亮。   灯泡的灯丝在开灯的瞬间为什么容易烧断   这是因为灯丝的电阻跟温度有关,会随温度的升高而增大,在开灯的瞬间灯丝温度较低,电阻较小,根据I=U/R,U不变,R小,则I大,所以容易烧断。   在深夜,如果灯泡两端的电压为220V,要使“PZ200-40”的灯泡正常发光,应串联一个多大的电阻?   要使“PZ200-40”的灯泡正常发光,两端的电压必须达到220V,串联电阻R的两端的电压应为UR=230V-220V=10V。而灯泡正常发光时两端的电流为I=P/U=40W/220V=2/11A,所以通过串联电阻R两端的电流IR=I=2/11A,R=UR/IR=10V/(2/11A)=55Ω。   如果傍晚灯泡两端的电压为210V灯泡在消耗的实际功率的多大?   “PZ200-40”灯泡的电阻为R=U2/P=(220V)2/40W=1210Ω。   在现实生活中,因为灯泡两端的电压又210V,所以通过灯泡的电流I实际=U实际/ R=210V/1210Ω=21/11A,使用时消耗的实际功率P=I实际U实际=210V×21/11A=26.4。(通过计算说明实际功率比额定功率要小,即傍晚用电高峰时使用灯泡显得很暗)。   灯泡使用时,灯泡和电线中流过相同的电流,灯泡和电线都要发热,可实际上灯泡热得发光,电线的发热却觉察不出来,这是为什么?   这是因为灯丝的电阻远大于导线的电阻,根据焦耳定律Q=I2Rt,在I和t都相同时,电阻R小,则Q较小,所以电流通过导线产生的热量较小,这就是灯泡热得发光,而电线的发热却觉察不出来的原因。   在生活中,我们熟悉的电灯,充分运用了电学中的电流、电压、电阻、电功、电功率、热量等物理知识。可见,物理知识离我们并不遥远,它就在我们生活中,就在我们身边。


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