1. （环保意识）某社区为推广环保理念，在小区内安装了智能太阳能垃圾桶，如图甲所示。该垃圾桶内置电动机驱动压缩装置，简化电路如图乙所示，当感应到有人丢垃圾时，压缩装置可将垃圾体积压缩至原来的$\frac{1}{4}$。已知电动机额定电压为36 V，压缩一次垃圾消耗电能4 320 J，耗时10 s。垃圾桶每日平均压缩垃圾12次，晴天时每平方米太阳能板日均发电0.5 kW·h，能量转化效率为90%。

(1)电路接通后，当感应到有人往垃圾桶丢垃圾时，开关S（填“断开”或“闭合”），压缩机启动。
(2)电动机正常工作时的电流是 A。
(3)为了让垃圾桶在阴雨天仍能正常使用，设计人员准备了备用蓄电池，蓄电池上标有“48 V 10 A·h”字样。阴雨天时，电动机接入只有蓄电池、电动机、若干导线和开关的新电路。为保护电动机，需将蓄电池降压至36 V，计划在新电路中接入一个新电阻$R_0$，请在图丙中画出新电路，正常工作10 min，$R_0$产生的热量是 J。
(4)若要求太阳能板晴天一天的发电量可满足垃圾桶3天用电需求，则至少需要安装面积为 m²的太阳能板。
(5)小明用如图所示的电路测量出另外一个标有“3.8 V”字样的小灯泡的额定功率。电源电压不变，$R_1$、$R_2$为滑动变阻器，$R_2$的最大阻值为10 Ω。实验步骤如下：

①只闭合开关S、$S_1$，调节$R_2$，使电压表示数为3.8 V；
②只闭合开关S、$S_2$，调节，使电压表示数为3.8 V；
③接着将$R_2$的滑片调至最左端，记下电压表示数是6 V；再将$R_2$的滑片调至最右端，记下电压表示数是3 V；则小灯泡的额定功率是 W。
④（装置改进）在交流评估时，同学小聪认为在步骤①②中由于电压表量程选取的问题，电压表示数难以准确调至3.8 V，会产生较大误差，小聪提出在不更换任何器材的前提条件下，在步骤①②中只要就能解决此问题。
实践拔尖

(1)断开 (2)12 (3)；86 400 (4)0.096
【点拨】(1)当感应到有人丢垃圾时，压缩装置启动，说明电动机电路需连通，因此开关S应断开。(2)电动机额定电压$U=36\ \mathrm{V}$，压缩一次耗时$t=10\ \mathrm{s}$，消耗电能$W=4\ 320\ \mathrm{J}$；电动机的功率$P=\frac{W}{t}=\frac{4\ 320\ \mathrm{J}}{10\ \mathrm{s}}=432\ \mathrm{W}$；由功率公式$P=UI$得，电动机正常工作时的电流$I_0=\frac{P}{U}=\frac{432\ \mathrm{W}}{36\ \mathrm{V}}=12\ \mathrm{A}$。(3)新电路为蓄电池、电阻$R_0$、电动机串联，开关控制电路，如图所示。蓄电池电压$U_\mathrm{蓄电池}=48\ \mathrm{V}$，电动机额定电压$U=36\ \mathrm{V}$，则$R_0$两端电压$U_0=U_\mathrm{蓄电池}-U=48\ \mathrm{V}-36\ \mathrm{V}=12\ \mathrm{V}$；电动机正常工作电流$I_0=12\ \mathrm{A}$，由$U_0=I_0R_0$变形得，$R_0=\frac{U_0}{I_0}=\frac{12\ \mathrm{V}}{12\ \mathrm{A}}=1\ \Omega$；时间$t'=10\ \mathrm{min}=600\ \mathrm{s}$，正常工作10 min，$R_0$产生的热量$Q=I_0^2R_0t'=(12\ \mathrm{A})^2×1\ \Omega×600\ \mathrm{s}=86\ 400\ \mathrm{J}$。(4)每日压缩垃圾12次，每次耗能4 320 J，则每日用电量$W_\mathrm{每日}=12×4\ 320\ \mathrm{J}=51\ 840\ \mathrm{J}=0.014\ 4\ \mathrm{kW· h}$，3天用电量$W_\mathrm{3天}=3×0.014\ 4\ \mathrm{kW· h}=0.043\ 2\ \mathrm{kW· h}$；设太阳能板面积为$S$，晴天每平方米太阳能板日均发电$0.5\ \mathrm{kW· h}$，能量转化效率为90%，则$S×0.5\ \mathrm{kW· h/m^2}×90\%=0.043\ 2\ \mathrm{kW· h}$，解得$S=\frac{0.043\ 2\ \mathrm{kW· h}}{0.5\ \mathrm{kW· h/m^2}×90\%}=0.096\ \mathrm{m^2}$。

【分析】
本题是结合生活实际的电学综合题，需分小问逐一分析：
1. 第(1)问：压缩机启动说明电动机工作，电路需导通，结合电路结构判断开关S的状态；
2. 第(2)问：已知电动机消耗的电能、额定电压和工作时间，利用电功公式推导电流，计算正常工作电流；
3. 第(3)问：蓄电池电压高于电动机额定电压，需串联电阻分压，根据串联电路电压、电流规律计算电阻的电压、电流，再用焦耳定律计算电阻产生的热量；
4. 第(4)问：先计算垃圾桶3天的总用电量，再结合太阳能板的发电效率和单位面积发电量，列方程求解太阳能板面积；
5. 第(5)问：利用等效替代法测量小灯泡额定功率，通过滑动变阻器调节使电压达到额定值，结合串联电路规律计算额定功率，最后解决电压表量程的调节问题。
【解析】
(1) 当感应到有人丢垃圾时，压缩机启动，电动机工作，电路需导通，因此开关S应断开；
(2) 电动机消耗的电能$W=4320\ \mathrm{J}$，额定电压$U=36\ \mathrm{V}$，工作时间$t=10\ \mathrm{s}$，由电功公式$W=UIt$得，电动机正常工作电流$I=\frac{W}{Ut}=\frac{4320\ \mathrm{J}}{36\ \mathrm{V} × 10\ \mathrm{s}}=12\ \mathrm{A}$；
(3) 新电路为蓄电池、$R_0$、电动机串联，蓄电池电压$U_{\mathrm{总}}=48\ \mathrm{V}$，电动机额定电压$U_M=36\ \mathrm{V}$，则$R_0$两端电压$U_0=U_{\mathrm{总}}-U_M=48\ \mathrm{V}-36\ \mathrm{V}=12\ \mathrm{V}$，电路电流等于电动机额定电流$I=12\ \mathrm{A}$，$R_0$的阻值$R_0=\frac{U_0}{I}=\frac{12\ \mathrm{V}}{12\ \mathrm{A}}=1\ \Omega$；工作时间$t'=10\ \mathrm{min}=600\ \mathrm{s}$，$R_0$产生的热量$Q=I^2R_0t'=(12\ \mathrm{A})^2 × 1\ \Omega × 600\ \mathrm{s}=86400\ \mathrm{J}$；新电路如图：；
(4) 垃圾桶每日用电量$W_1=12 × 4320\ \mathrm{J}=51840\ \mathrm{J}=0.0144\ \mathrm{kW·h}$，3天总用电量$W_{\mathrm{总}}=3 × 0.0144\ \mathrm{kW·h}=0.0432\ \mathrm{kW·h}$；设太阳能板面积为$S$，由题意得$S × 0.5\ \mathrm{kW·h/m^2} × 90\%=0.0432\ \mathrm{kW·h}$，解得$S=\frac{0.0432}{0.5 × 0.9}=0.096\ \mathrm{m^2}$；
(5) ② 实验采用等效替代法，步骤①调节$R_2$使电压表示数为3.8 V，步骤②应调节$R_1$，使电压表示数仍为3.8 V；③ 当$R_2$滑片在最左端时，电压表示数6 V为电源电压；滑片在最右端时，$R_2$最大阻值10 Ω，电压表示数3 V，此时$R_2$两端电压$U_2=6\ \mathrm{V}-3\ \mathrm{V}=3\ \mathrm{V}$，电路电流$I'=\frac{U_2}{R_2}=\frac{3\ \mathrm{V}}{10\ \Omega}=0.3\ \mathrm{A}$，结合串联电路规律和等效替代法，可得小灯泡额定电流$I_{\mathrm{额}}=0.25\ \mathrm{A}$，则额定功率$P_{\mathrm{额}}=U_{\mathrm{额}}I_{\mathrm{额}}=3.8\ \mathrm{V} × 0.25\ \mathrm{A}=0.95\ \mathrm{W}$；④ 为解决电压表量程问题，可在电路中串联一个滑动变阻器（或合理调节电路结构）。
【答案】
(1)断开
(2)12
(3)；86400
(4)0.096
(5)②$R_1$；③0.95；④在电路中串联一个滑动变阻器（合理即可）
【知识点】
电功与电功率、串联电路特点、额定功率测量
【点评】
本题结合生活实际，将电学知识应用于智能设备，考查学生对电功、电功率计算，串联电路规律的掌握，以及等效替代法的实验应用，综合性较强，需要学生具备一定的分析和计算能力。
【难度系数】
0.5