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四、综合应用题(22分)
15.「2025河南省实验中学期末，★★」为了找到更节能的灯源，实验室通过大量实验发现表中LED灯和白炽灯在正常工作时，光照强度相同，有关数据如表所示。
(1)LED灯正常发光时的电流是多大？
(2)假设一所中学有500盏额定功率为100 W的白炽灯，每盏灯每年正常工作2 000 h。现将这些白炽灯更换为额定功率为12 W的LED灯，则这所中学每年可节约多少电能？
(3)若(2)中节约的这些电能是由消耗煤的火力发电站来提供，已知火力发电的效率为40%，则需要完全燃烧多少吨的煤？(已知煤的热值取 $3.0×10^7\ \mathrm{J/kg}$)
(4)请根据以上材料说明使用LED灯的一个优点。
15.「2025河南省实验中学期末，★★」为了找到更节能的灯源，实验室通过大量实验发现表中LED灯和白炽灯在正常工作时，光照强度相同，有关数据如表所示。
(1)LED灯正常发光时的电流是多大？
(2)假设一所中学有500盏额定功率为100 W的白炽灯，每盏灯每年正常工作2 000 h。现将这些白炽灯更换为额定功率为12 W的LED灯，则这所中学每年可节约多少电能？
(3)若(2)中节约的这些电能是由消耗煤的火力发电站来提供，已知火力发电的效率为40%，则需要完全燃烧多少吨的煤？(已知煤的热值取 $3.0×10^7\ \mathrm{J/kg}$)
(4)请根据以上材料说明使用LED灯的一个优点。
答案
解析
(1)由P=UI得,LED灯正常发光时的电流
$I=\frac{P}{U}=\frac{12\ \mathrm{W}}{24\ \mathrm{V}}=0.5\ \mathrm{A}$。
(2)按照每年正常工作2 000 h计算,将白炽灯更换成LED灯后每年能节约的电能 $W = n(P'-P)t = 500×(0.1\ \mathrm{kW}-0.012\ \mathrm{kW})×2\ 000\ \mathrm{h}=8.8×10^4\ \mathrm{kW·h}$。
(3)煤完全燃烧放出的热量 $Q=\frac{W}{\eta}=\frac{8.8×10^4\ \mathrm{kW·h}}{40\%}=2.2×10^5\ \mathrm{kW·h}=7.92×10^{11}\ \mathrm{J}$;
由Q=mq 可得需要完全燃烧煤的质量
$m=\frac{Q}{q}=\frac{7.92×10^{11}\ \mathrm{J}}{3.0×10^7\ \mathrm{J/kg}}=2.64×10^4\ \mathrm{kg}=26.4\ \mathrm{t}$。
(4)LED灯和白炽灯相比有明显的优点:在光照强度相同的情况下,LED灯的发光原理为二极管发光,电能大部分转化为光能,故发光效率高;LED灯的额定电压低,人直接接触时危险相对较低;LED灯响应时间短;LED灯额定功率小,节约能源。
(1)由P=UI得,LED灯正常发光时的电流
$I=\frac{P}{U}=\frac{12\ \mathrm{W}}{24\ \mathrm{V}}=0.5\ \mathrm{A}$。
(2)按照每年正常工作2 000 h计算,将白炽灯更换成LED灯后每年能节约的电能 $W = n(P'-P)t = 500×(0.1\ \mathrm{kW}-0.012\ \mathrm{kW})×2\ 000\ \mathrm{h}=8.8×10^4\ \mathrm{kW·h}$。
(3)煤完全燃烧放出的热量 $Q=\frac{W}{\eta}=\frac{8.8×10^4\ \mathrm{kW·h}}{40\%}=2.2×10^5\ \mathrm{kW·h}=7.92×10^{11}\ \mathrm{J}$;
由Q=mq 可得需要完全燃烧煤的质量
$m=\frac{Q}{q}=\frac{7.92×10^{11}\ \mathrm{J}}{3.0×10^7\ \mathrm{J/kg}}=2.64×10^4\ \mathrm{kg}=26.4\ \mathrm{t}$。
(4)LED灯和白炽灯相比有明显的优点:在光照强度相同的情况下,LED灯的发光原理为二极管发光,电能大部分转化为光能,故发光效率高;LED灯的额定电压低,人直接接触时危险相对较低;LED灯响应时间短;LED灯额定功率小,节约能源。
解析
【分析】
本题是结合生活实际的电学与热学综合应用题，解题思路如下：
1. 第(1)问：已知LED灯的额定功率和额定电压，利用电功率公式P=UI变形即可求出正常发光时的电流，需注意公式应用和单位统一。
2. 第(2)问：先计算单盏灯的功率差，再乘以灯的数量和年工作时间，计算时需将功率单位换算为kW，时间单位为h，得到节约的电能。
3. 第(3)问：根据火力发电效率求出煤完全燃烧释放的总热量，再利用热值公式Q=mq计算煤的质量，最后换算单位为吨。
4. 第(4)问：对比LED灯和白炽灯的参数，从发光效率、节能、安全性等方面总结LED灯的优点。
【解析】
(1) LED灯正常发光时，额定功率$P_1=12\ \mathrm{W}$，额定电压$U_1=24\ \mathrm{V}$，由$P=UI$变形得电流：
$I=\frac{P_1}{U_1}=\frac{12\ \mathrm{W}}{24\ \mathrm{V}}=0.5\ \mathrm{A}$。
(2) 白炽灯额定功率$P_2=100\ \mathrm{W}=0.1\ \mathrm{kW}$，LED灯额定功率$P_1=12\ \mathrm{W}=0.012\ \mathrm{kW}$，每盏灯年节约功率$\Delta P=P_2-P_1=0.1\ \mathrm{kW}-0.012\ \mathrm{kW}=0.088\ \mathrm{kW}$。
500盏灯每年节约的电能：
$W=n·\Delta P· t=500×0.088\ \mathrm{kW}×2000\ \mathrm{h}=8.8×10^4\ \mathrm{kW· h}$。
(3) 节约的电能为火力发电的有用能量，即$W_{有用}=W=8.8×10^4\ \mathrm{kW· h}$，由效率公式$\eta=\frac{W_{有用}}{Q_{放}}$得煤完全燃烧放出的热量：
$Q_{放}=\frac{W_{有用}}{\eta}=\frac{8.8×10^4\ \mathrm{kW· h}}{40\%}=2.2×10^5\ \mathrm{kW· h}=7.92×10^{11}\ \mathrm{J}$。
由$Q_{放}=mq$得需要煤的质量：
$m=\frac{Q_{放}}{q}=\frac{7.92×10^{11}\ \mathrm{J}}{3.0×10^7\ \mathrm{J/kg}}=2.64×10^4\ \mathrm{kg}=26.4\ \mathrm{t}$。
(4) LED灯的优点：发光效率高（或节约电能、响应时间短、额定电压低更安全等，合理即可）。
【答案】
(1) $0.5\ \mathrm{A}$；
(2) $8.8×10^4\ \mathrm{kW· h}$；
(3) $26.4\ \mathrm{t}$；
(4) 发光效率高（合理即可）。
【知识点】
电功率计算、电能计算、热值与效率计算
【点评】
本题结合实际生活中的灯源选择问题，将电学、热学知识与生活应用结合，考查公式应用、单位换算及分析总结能力，体现物理的实用性，难度适中。
【难度系数】
0.5
本题是结合生活实际的电学与热学综合应用题，解题思路如下：
1. 第(1)问：已知LED灯的额定功率和额定电压，利用电功率公式P=UI变形即可求出正常发光时的电流，需注意公式应用和单位统一。
2. 第(2)问：先计算单盏灯的功率差，再乘以灯的数量和年工作时间，计算时需将功率单位换算为kW，时间单位为h，得到节约的电能。
3. 第(3)问：根据火力发电效率求出煤完全燃烧释放的总热量，再利用热值公式Q=mq计算煤的质量，最后换算单位为吨。
4. 第(4)问：对比LED灯和白炽灯的参数，从发光效率、节能、安全性等方面总结LED灯的优点。
【解析】
(1) LED灯正常发光时，额定功率$P_1=12\ \mathrm{W}$，额定电压$U_1=24\ \mathrm{V}$，由$P=UI$变形得电流：
$I=\frac{P_1}{U_1}=\frac{12\ \mathrm{W}}{24\ \mathrm{V}}=0.5\ \mathrm{A}$。
(2) 白炽灯额定功率$P_2=100\ \mathrm{W}=0.1\ \mathrm{kW}$，LED灯额定功率$P_1=12\ \mathrm{W}=0.012\ \mathrm{kW}$，每盏灯年节约功率$\Delta P=P_2-P_1=0.1\ \mathrm{kW}-0.012\ \mathrm{kW}=0.088\ \mathrm{kW}$。
500盏灯每年节约的电能：
$W=n·\Delta P· t=500×0.088\ \mathrm{kW}×2000\ \mathrm{h}=8.8×10^4\ \mathrm{kW· h}$。
(3) 节约的电能为火力发电的有用能量，即$W_{有用}=W=8.8×10^4\ \mathrm{kW· h}$，由效率公式$\eta=\frac{W_{有用}}{Q_{放}}$得煤完全燃烧放出的热量：
$Q_{放}=\frac{W_{有用}}{\eta}=\frac{8.8×10^4\ \mathrm{kW· h}}{40\%}=2.2×10^5\ \mathrm{kW· h}=7.92×10^{11}\ \mathrm{J}$。
由$Q_{放}=mq$得需要煤的质量：
$m=\frac{Q_{放}}{q}=\frac{7.92×10^{11}\ \mathrm{J}}{3.0×10^7\ \mathrm{J/kg}}=2.64×10^4\ \mathrm{kg}=26.4\ \mathrm{t}$。
(4) LED灯的优点：发光效率高（或节约电能、响应时间短、额定电压低更安全等，合理即可）。
【答案】
(1) $0.5\ \mathrm{A}$；
(2) $8.8×10^4\ \mathrm{kW· h}$；
(3) $26.4\ \mathrm{t}$；
(4) 发光效率高（合理即可）。
【知识点】
电功率计算、电能计算、热值与效率计算
【点评】
本题结合实际生活中的灯源选择问题，将电学、热学知识与生活应用结合，考查公式应用、单位换算及分析总结能力，体现物理的实用性，难度适中。
【难度系数】
0.5
