Question

小明发现他家的电源插排上有多个指示灯，如图 甲所示．小明将电源插排拆开后发现，每个指示灯实际上是一个发光二极管，每个发光二极管和一个定值电阻串联后接在220V的电源上．      他通过查阅资料得知，发光二极管的结构与普通二极管相似，由一个PN结构成，具有单向导电性．当在发光二极管上加正向电压时，发光二极管导通并发光；当加反向电压时，发光二极管截止（电阻可视为无穷大）且不发光．如果将发光二极管D和电阻R接在如图乙所示的正弦交流电路中，只有在交流电压正半周期时，发光二极管导通，在负半周期时不导通．并可以证明：若用U_D表示发光二极管导通时其两端的电压，当所加的交流电压为 U 时，电阻 R上的电压为U_R=U-U_D≈0.45U-U_D，
实际上交流电压值是变化的，其瞬时可达到的最大值约为U，查表可知发光二极管正常发光时其两端的电压约为2V，通过它的电流约为l0mA，
计算时忽略发光二极管发光过程中消耗功率的变化．


（1）为了保证发光二极管的安全，需要串联一个多大阻值的定值电阻？
（2）此时发光二极管和定值电阻消耗的总功率为多大？
（3）如果我国有一亿个家庭每天使用带有一个发光二极管指示灯的插排，每天工作24小时，那么我国每年（按365天计算）要损耗多少度电？
（4）根据此现象警示我们平时要如何节约用电？

Answer

（1）先根据题意求出电阻两端的最大电压，再根据欧姆定律和串联电路的电流特点求出定值电阻的阻值．
（2）先根据题意求出此时电阻两端的电压，再根据P=求出电阻消耗的电功率，根据P=UI求出发光二极管消耗的功率，两者之和即为此时发光二极管和定值电阻消耗的总功率．
（3）根据W=Pt求出求出我国每年要损耗的电能．
（4）根据以上结果可知，我们可以从通电时间着手进行解答．
【解析】
（1）因电阻与二极管串联，所以通过二者的电流均为I=10mA=0.01A，
电阻两端的最大电压UR=U-UD=×220V-2V≈309V，
定值电阻的阻值R===3.09×104Ω．
（2）加在电阻上的电压UR=0.45U-UD=0.45×220V-2V=97V，
电阻所消耗的功率PR==≈0.3W，
发光二极管消耗的功率PD=UDI=2×0.01W=0.02W，
所以，发光二极管和定值电阻消耗的总功率：P总=PR+PD=0.32W．
（3）消耗电能：W总=P总t=108×0.32×10-3KW×365×24h=2.8×108KWh．
（4）当电源插排不用时，及时关闭电源插排上的开关，或拔掉电源插头．
答：（1）为了保证发光二极管的安全，需要串联一个约3.09×104Ω的定值电阻；
（2）此时发光二极管和定值电阻消耗的总功率约为0.32W；
（3）我国每年约要损耗2.8×108KWh的电能；
（4）当电源插排不用时，及时关闭电源插排上的开关，或拔掉电源插头．（合理即可）