21. 小明发现家中有一段足够长且粗细均匀的电阻丝，他想用来制作电加热器。不考虑电阻丝阻值随温度的变化。

(1) 小明截取5 cm长的电阻丝，按图(a)所示连接电路测量其阻值$R_0$。
① 用笔画线代替导线，请将图(a)中的实验电路连接完整；
② 闭合开关前，应将滑动变阻器的滑片置于端；
③ 小明根据实验数据得到的$I-U$图像如图(b)所示，则$R_0 =$Ω。
(2) 小明选择以下器材来制作电加热器：熔断器(允许通过的最大电流为12 A)，$ R_1$、$ R_2$是重新截取的两段电阻丝，$ R_1$长22 cm，开关若干，导线若干。
① 电阻丝$ R_1 =$Ω；
② 图(c)是小明制作的电加热器，其低温挡功率为880 W，则$ R_2$长度为cm；
③ 小明将图(c)改装成图(d)所示的电加热器。他调试时发现该电加热器不能正常工作，其原因可能是；
④ 解决上述问题后，小明利用选择的器材又对图(d)所示的电加热器进行改装，使其具有“四挡”调温功能，请帮他在图(e)虚线框内画出改装后的电路图。

右
5
22
33
高温挡工作时电流大于熔断器允许通过的最大电流

【分析】
本题分为电阻测量和电加热器设计两部分，解题思路如下：
1. （1）部分：
① 连接电路时，需遵循电流表串联、电压表并联，滑动变阻器“一上一下”接线的原则，完善电路；
② 闭合开关前，滑动变阻器滑片应置于最大阻值处，保护电路，根据滑动变阻器接线判断滑片位置；
③ 利用I-U图像，结合欧姆定律$R=\frac{U}{I}$计算电阻阻值。
2. （2）部分：
① 电阻丝阻值与长度成正比，根据已知5cm电阻丝的阻值，计算22cm电阻丝的阻值；
② 低温挡为两电阻串联，利用电功率公式$P=\frac{U^2}{R}$计算总电阻，进而求出$R_2$的阻值，再根据阻值与长度的关系得到长度；
③ 分析图(d)电路，计算并联时的总电流，与熔断器最大电流比较，找出不能正常工作的原因；
④ 要实现四挡调温，需通过开关控制电阻的串联、并联及单独工作状态，设计符合要求的电路。
【解析】
(1) ① 电路连接：电流表串联在电路中，选择0~0.6A量程，滑动变阻器采用“一上一下”接线，连接方式如图（见参考答案中的连接图）；
② 闭合开关前，滑动变阻器滑片应置于阻值最大处，由图(a)可知，滑片置于右端时，滑动变阻器接入电路的电阻丝最长，阻值最大，故填“右”；
③ 由图(b)，当$U=3V$时，$I=0.6A$，根据欧姆定律$R_0=\frac{U}{I}=\frac{3V}{0.6A}=5Ω$；
(2) ① 电阻丝粗细均匀，阻值与长度成正比，5cm长电阻丝阻值为5Ω，即1cm对应1Ω，故22cm长的$R_1=22×1Ω=22Ω$；
② 图(c)低温挡为$R_1$与$R_2$串联，由$P=\frac{U^2}{R}$得，总电阻$R_{总}=\frac{U^2}{P}=\frac{(220V)^2}{880W}=55Ω$，则$R_2=R_{总}-R_1=55Ω-22Ω=33Ω$，对应长度为33cm；
③ 图(d)中，高温挡时$R_1$与$R_2$并联，总电阻$R_{并}=\frac{R_1R_2}{R_1+R_2}=\frac{22Ω×33Ω}{22Ω+33Ω}=13.2Ω$，总电流$I=\frac{U}{R_{并}}=\frac{220V}{13.2Ω}≈16.7A$，大于熔断器允许的最大电流12A，会导致熔断器熔断，故不能正常工作；
④ 四挡调温电路设计：在虚线框内，将$R_1$、$R_2$分别与开关串联后并联，或采用串联加支路开关的方式，实现单独$R_1$工作、单独$R_2$工作、两电阻串联、两电阻并联四种状态（电路图见参考答案）。
【答案】
(1) ① 见参考答案中的电路连接图；② 右；③ 5
(2) ① 22；② 33；③ 高温挡工作时电流大于熔断器允许通过的最大电流；④ 见参考答案中的电路图
【知识点】
欧姆定律的应用；电功率计算；电路设计
【点评】
本题综合考查了电路连接、欧姆定律、电功率公式的应用及电路设计，涉及串联、并联电路的特点，需结合电阻与长度的比例关系分析，对学生的综合应用能力要求较高。
【难度系数】
0.4