Question

小明想探究白熾燈的發光效率η（η為光能與消耗電能的比值）．他找來了一個無色透明玻璃魚缸、一只額定功率為P的家用白熾燈泡、一張無色透明耐高溫塑料紙．他先在魚缸中放入質量為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），點亮電燈，使燈泡正常發光．請回答下列問題：
（1）白熾燈泡發光時可將電能轉化為哪些能量？
（2）要完成這次探究需要哪些測量工具？
（3）寫出所要測量的物理量（用符號表示），并寫出白熾燈發光效率的表達式．
（4）小英同學看了小明的方案后，覺得基本可行，但也有一些不足．請你說出其中的一個不足之處．小明根據上述實驗方案測出的白熾燈的發光效率，比白熾燈實際的發光效率是偏高還是偏低？

Answer 1

【答案】分析：（1）燈泡在工作時，既發光又發熱，由此可以確定其工作過程中的能量轉化．
（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）來求得．
根據燈泡消耗的電能的計算公式：W_總=Pt可知，在P已知的前提下，要求總能量首先要測定工作時間；
根據熱量的計算公式：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，還需要測量水溫度的變化，由此入手可以確定需要的測量工具．
（3）在第二問的基礎上，進而可以得到其能量轉化效率的表達式．
（4）燈泡產生的熱量，并沒有全部被水吸收，還要損失一部分熱量，這是造成測量不準確的主要原因．
解答：解：（1）燈泡在工作時，發光將部分電能轉化成了光能，同時還發熱又將一部分電能轉換成了內能．
（2）在此過程中，電能轉化成了光能和內能．轉化成的光能是有效利用的能量，無法直接求得，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間的乘積來求得．因此需要停表來測量燈泡的工作時間．
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，要測量水吸收的熱量，就需要測量水溫度的變化（初溫和末溫），所以要用到溫度計．
（3）用停表測得白熾燈加熱水的時間t；用溫度計測得水的初溫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）；
燈泡的發光效率：η==．
（4）在實際的實驗過程中，水吸收的熱量只是燈泡產生熱量的一部分，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，導致了效率偏大．
答：（1）白熾燈泡發光時可將電能轉化光能和內能；
（2）要完成這次探究需要溫度計和停表；
（3）所要測量的物理量有：白熾燈加熱水的時間t； 水的初溫t 和末溫t₁；
 白熾燈發光效率的表達式：η=
（4）①玻璃魚缸是敞開的，在測量過程中有部分熱量散失到空氣中；比白熾燈實際的發光效率是偏高．
點評：明確此過程中的能量轉化是解決此題的入手點，如何表示燈泡發光時有效利用的能量（光能）是解決此題的關鍵．
通過計算能量的公式涉及的物理量，來確定需要的測量工具．