Question

小明想探究白熾燈的發(fā)光效率η（η為光能與消耗電能的比值）．他找來(lái)了一個(gè)無(wú)色透明玻璃魚缸、一只額定功率為P的家用白熾燈泡、一張無(wú)色透明耐高溫塑料紙．他先在魚缸中放入質(zhì)量為m的水，用塑料紙包住燈泡和電線，然后把包裹塑料紙的燈泡浸沒在水中（如圖所示），點(diǎn)亮電燈，使燈泡正常發(fā)光．請(qǐng)回答下列問題：
（1）白熾燈泡發(fā)光時(shí)可將電能轉(zhuǎn)化為哪些能量？
（2）要完成這次探究需要哪些測(cè)量工具？
（3）寫出所要測(cè)量的物理量（用符號(hào)表示），并寫出白熾燈發(fā)光效率的表達(dá)式．
（4）小英同學(xué)看了小明的方案后，覺得基本可行，但也有一些不足．請(qǐng)你說(shuō)出其中的一個(gè)不足之處．小明根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方案測(cè)出的白熾燈的發(fā)光效率，比白熾燈實(shí)際的發(fā)光效率是偏高還是偏低？

Answer 1

【答案】分析：（1）燈泡在工作時(shí)，既發(fā)光又發(fā)熱，由此可以確定其工作過程中的能量轉(zhuǎn)化．
（2）效率就等于有效利用的能量（光能）和消耗的總能量（電能）的比值．而有效利用的能量可以利用總能量減去損耗掉的能量（水吸收的熱量）來(lái)求得．
根據(jù)燈泡消耗的電能的計(jì)算公式：W_總=Pt可知，在P已知的前提下，要求總能量首先要測(cè)定工作時(shí)間；
根據(jù)熱量的計(jì)算公式：Q=cm（t₁-t）可知，在c、m都已知的前提下，要求得水吸收的熱量Q，還需要測(cè)量水溫度的變化，由此入手可以確定需要的測(cè)量工具．
（3）在第二問的基礎(chǔ)上，進(jìn)而可以得到其能量轉(zhuǎn)化效率的表達(dá)式．
（4）燈泡產(chǎn)生的熱量，并沒有全部被水吸收，還要損失一部分熱量，這是造成測(cè)量不準(zhǔn)確的主要原因．
解答：解：（1）燈泡在工作時(shí)，發(fā)光將部分電能轉(zhuǎn)化成了光能，同時(shí)還發(fā)熱又將一部分電能轉(zhuǎn)換成了內(nèi)能．
（2）在此過程中，電能轉(zhuǎn)化成了光能和內(nèi)能．轉(zhuǎn)化成的光能是有效利用的能量，無(wú)法直接求得，可以利用總能量減去損耗的能量求得．
消耗的電能是總能量要利用公式W_總=Pt，即燈泡的功率和工作時(shí)間的乘積來(lái)求得．因此需要停表來(lái)測(cè)量燈泡的工作時(shí)間．
燈泡損耗的能量即水吸收的熱量可以利用公式：Q=cm（t₁-t）求得，要測(cè)量水吸收的熱量，就需要測(cè)量水溫度的變化（初溫和末溫），所以要用到溫度計(jì)．
（3）用停表測(cè)得白熾燈加熱水的時(shí)間t；用溫度計(jì)測(cè)得水的初溫t 和末溫t₁；
燈泡消耗的總能量：W_總=Pt，
燈泡損耗的能量：Q=cm（t₁-t）；
有效利用的能量光能：W_光=W_總-Q=Pt-cm（t₁-t）；
燈泡的發(fā)光效率：η==．
（4）在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中，水吸收的熱量只是燈泡產(chǎn)生熱量的一部分，其中還有一部分熱量散失到空氣中，塑料袋、魚缸也要吸收熱量，這樣減去的損耗的能量值就偏小，導(dǎo)致了效率偏大．
答：（1）白熾燈泡發(fā)光時(shí)可將電能轉(zhuǎn)化光能和內(nèi)能；
（2）要完成這次探究需要溫度計(jì)和停表；
（3）所要測(cè)量的物理量有：白熾燈加熱水的時(shí)間t； 水的初溫t 和末溫t₁；
 白熾燈發(fā)光效率的表達(dá)式：η=
（4）①玻璃魚缸是敞開的，在測(cè)量過程中有部分熱量散失到空氣中；比白熾燈實(shí)際的發(fā)光效率是偏高．
點(diǎn)評(píng)：明確此過程中的能量轉(zhuǎn)化是解決此題的入手點(diǎn)，如何表示燈泡發(fā)光時(shí)有效利用的能量（光能）是解決此題的關(guān)鍵．
通過計(jì)算能量的公式涉及的物理量，來(lái)確定需要的測(cè)量工具．