Question

18．在物理課外探究學習活動中，小緣拆開了自己的新買的LED節(jié)能手電筒（圖1），發(fā)現蜂窩狀燈頭里并聯著3粒相同規(guī)格的LED燈泡，再與限流R串聯后接在電壓恒為4V蓄電池上．于是她畫出該手電筒的電路圖，如圖2所示．

（1）小緣先閉合開關S讓手電筒發(fā)光，用電流表和電壓分別測出限流電阻R兩端電壓為0.5V，通過電流為50mA．求：
①電阻R的阻值．
②如果讓手電筒發(fā)光1h，整個電路共消耗電能．
（2）她又拆下其中一粒LED燈泡，用精密電表測量出一組電流、電壓值，并描繪出LED燈泡的電流隨電壓變化如圖3所示．然后將LED燈泡與滑動變阻器串聯接到5V電源上，用電壓表與滑動變阻器并聯，如圖4所示，求：
①當電壓表示數為3V時，LED燈泡的電功率為多大？
②已知LED燈泡允許通過的最大電流為30mA，為了燈泡的安全，求滑動變阻器允許接入的最小阻值．

Answer 1

分析 （1）知道限流電阻R兩端電壓和通過的電流，利用歐姆定律求R大小；利用W=UIt求1h整個電路共消耗電能；
（2）①知道電壓表示數（滑動變阻器兩端的電壓）、電源電壓，可求LED兩端的電壓；由圖3可知此時通過燈的電流，利用P=UI求LED燈泡的電功率；
②由圖象可知若LED燈泡允許通過的最大電流30mA時燈泡兩端允許接的最大電壓為3.5V，然后根據歐姆定律和串聯電路的特點即可求出滑動變阻器允許接入電路的最小電阻．

解答 解：（1）由歐姆定律可得限流電阻的阻值為：
R=$\frac{U}{I}$=$\frac{0.5V}{50×1{0}^{-3}A}$=10Ω；
1h整個電路共消耗電能：
W=UIt=4V×50×10^-3A×3600s=720J；
（2）①在圖4中，LED燈泡與滑動變阻器串聯接到5V電源上，電壓表測滑動變阻器的電壓，
當電壓表示數為3V時，LED兩端的電壓：
U_L=U-U_P=5V-3V=2V，
由圖3可知通過燈的電流：I=5mA=0.005A，
LED燈泡的電功率：
P_L=U_LI=2×0.005A=0.01W；
②由題知，I_最大=30mA=0.03A，
由圖象可知，此時燈泡兩端允許接的最大電壓為3.5V，又電源電壓為5V，
所以串聯的滑動變阻器兩端的電壓U_最小=U-U_L最小=5V-3.5V=1.5V，
由歐姆定律可知滑動變阻器連入最小電阻：
R_最小=$\frac{{U}_{最小}}{{I}_{最大}}$=$\frac{1.5V}{0.03A}$=50Ω．
答：（1）①電阻R的阻值為10Ω；
②如果讓手電筒發(fā)光1h，整個電路共消耗電能為720J；
（2）①當電壓表示數為3V時，LED燈泡的電功率為0.01W；
②已知LED燈泡允許通過的最大電流為30mA，為了燈泡的安全，滑動變阻器允許接入的最小阻值為50Ω．

點評 現在一些手電筒的燈泡也被LED燈所取代．LED燈是怎樣發(fā)光的？使用LED燈有什么優(yōu)點？LED燈的電阻是否變化？等等問題，通過本題都能對LED燈有所了解，達到了應用所學物理知識解答實際問題的目的．