Question

黑夜看不見樓道照明電燈的開關位置，給行人尋找開關位置帶來不便．于是，小明提出了一個設計帶有指示燈開關的設想，其設計方案如圖所示．他選用一種單刀雙擲開關，如圖中的S；另外利用一個規格為“10V　1W”的小燈泡，和一段規格為1.0×10⁴Ω/m的電阻絲配合，安裝在圖中的虛線框內組成指示燈．這樣，當S撥向b時，照明燈亮、指示燈滅，可避免指示燈費電；，當S撥向a時，照明燈滅、指示燈亮，可顯示開關位置．
（1）為了使指示燈正常發光，請你認為虛線框內的指示燈和電阻絲應如何連接？________．
（2）為了使指示燈正常發光，請幫小明計算一下，需截取多長的一段電阻絲與指示燈連接．
（3）若樓道照明燈的規格為“220V　100W”，一天（24h）中平均使用6h．那么，就這盞樓道燈的電路，一天要耗電多少度？
（4）小明的這種設計思路是值得稱贊的．但是，他所設計的這種帶有指示燈的開關并不是很理想的，不能作為一種完善的產品大批量生產投放市場．
①你認為不理想的主要原因是什么？________．
②你理想中的帶有指示燈的開關是什么樣的？________．

Answer 1

解：（1）因電源電壓220V，而指示燈額定電壓為10V，所以電阻絲應與指示燈串聯．

故答案為：串聯．
（2）指示燈正常工作時的電流I===0.1A，
為保證指示燈正常工作，電阻絲兩端的電壓應為U_阻=U-U_L=220V-10V=210V，
所以電阻絲的電阻為：R_連===2100Ω，
電阻絲的長度為：l==0.21m=21cm．
答：所需電阻絲的長度為21cm．
（3）一天（24h）中照明燈使用時間6h，消耗電能W₁=Pt=0.1KW×6h=0.6KW?h；
指示燈電路工作時間24h-6h=18h，
指示燈包括電阻絲兩端電壓為220V，工作電流為0.1A，
所以消耗電能為：W₂=UIt=220V×0.1A×18h=0.396KW?h；
所以，這盞樓道燈的電路一天總共耗電：W=W1+W2=0.6KW?h+0.396KW?h=0.996KW?h=0.996度．
答：這盞樓道燈的電路，一天要耗0.966度的電能．
（4）①主要原因是：指示燈電路消耗電能太多．（電阻絲與指示燈串聯，結構復雜；指示燈功率太大；電阻絲發熱不但消耗電能，而且使開關發熱）
②應該研制功率小而發光效率高，并能直接接在220V電源上的指示燈．（應使指示燈電路消耗電能盡可能少）
分析：（1）S接a時，指示燈的額定電壓遠低于電源電壓220V，因此要串聯電阻來分擔多余的電壓．
（2）已知指示燈的規格，根據I=求出燈泡正常工作時的電流；根據串聯電路的電壓特點求出所串電阻絲兩端的電壓，再根據歐姆定律求出電阻絲的電阻，進一步根據題意求出電阻絲的長度．
（3）一天（24h）中照明燈使用時間6h，指示燈電路工作時間24h-6h=18h，根據W=Pt分別求出消耗的電能，兩者之和即為這盞樓道燈的電路一天總共耗電的電量．
（4）由電路圖可知電阻絲與指示燈串聯，結構復雜；根據焦耳定律可知指示燈電路消耗電能太多，且電阻絲發熱不但消耗電能，據此得出小明的這種設計思路不合理的原因和改進的措施．
點評：本題考查了串聯電路的特點、歐姆定律和焦耳定律的應用，是一道電學的小綜合題；其中第三問容易漏掉指示燈消耗的電能，是該題的易錯點．