先說一道我很喜歡的小學數學題:兩只額定電流相同但功率不同的白熾燈串聯在220V的電路中。
最近讀初中的小兒子又問了這個問題,我自己分析的很開心! 先揭曉答案——小功率的燈泡色溫更高。 下面說說解決問題的過程。 家里有小孩的同學可以寫下來,讓別人玩得開心~首先我們要知道燈泡的色溫是由什么決定的呢?
燈泡的實際色溫,即燈泡的實際功率——實際功率越大,燈泡的色溫越高。 燈泡的實際照度與什么有關? 我們從以下兩個角度來分析,可以得到相同的結果。
角度一
燈泡的實際功率公式為P=UI,因為兩個燈泡是串聯的,所以電路中的電壓I是相同的。 這樣,確定兩個燈泡的動機就在于燈泡兩端的電流U1和U2——兩端電流越大的燈泡,實際功率越大,相應的色溫也越高.
根據串聯電路的分壓公式U1:U2=R1:R2(電流之比等于內阻之比)可知,燈泡內阻大時,兩端電流會很大。 那么,到底是大功率燈泡的內阻大,還是小功率燈泡的內阻大?
我們再看看兩個燈泡的額定功率——P=UI。 正如題目所說,兩個燈泡的額定電流U是一樣的,所以我們可以知道,額定功率小的燈泡的額定電壓I一定小。 根據歐姆定律I=U/R可知,在相同電流U下串聯和并聯哪個亮?,電壓I小,內阻R必然大一些。 (歐姆定律只適用于純內阻電路,燈泡——注意是白熾燈泡,可視為純內阻電路。)
因此,內阻大的燈泡額定電壓和額定功率也小。 小功率燈泡和大功率燈泡在電路中串聯后,得到的電流更大,所以實際功率更高——亮度也更高。
角度二
根據公式P=UI和公式I=U/R,可以推導出公式P=I2R和P=U2/R(后三個公式只適用于純內阻電路)。
在串聯電路中,電路中的電壓I相同。 因此,根據公式P=I2R可以看出,內阻越大的燈泡實際功率越大。
繼續推大功率燈泡和小功率燈泡,哪個內阻更大? 上面已經推斷出來了,我再給大家提供一個方法——額定功率P=U2/R(兩個燈泡的額定電流U相同),可見燈泡的功率越小,內阻越大。
因此,串聯的小功率燈泡的實際功率更高,色溫也更高。
舉一反三
除了串聯兩個燈泡外,即使串聯了N個燈泡,仍然可以從上述兩個角度推導推出額定功率較小的燈泡,串聯后的色溫較高。
其實里面所有的推論都是建立在一個基礎上的——燈泡的額定電流是一樣的。 但是,如果將兩個額定電流不同的燈泡串聯起來,會出現什么結果呢?
首先,如果額定功率、額定電流、額定電壓這三個值很難確定,單純通過理論分析是很難得到答案的。 必須有實際值串聯和并聯哪個亮?,可以通過估算燈泡的比內阻來比較——電阻值越大,色溫越高(串聯的燈泡的分壓不得小于其額定電流).
如果將額定電壓相同的燈泡串聯起來,根據公式P=I2R可知,額定功率越大,燈泡的內阻越大。 燈泡的實際功率還是按照公式P=I2R來估算,可以得出結果——電阻越大(功率越大)的燈泡色溫就越高。