五、实验探究
21.(1)利用图甲装置研究磁场对通电直导线的作用。应在M、N之间接入，装置中的导体棒应选用轻质的（选填“铁棒”或“铝棒”）。

21题图
(2)如图乙所示，通电后若cd段导线受磁场力的方向为竖直向下，则ab段导线所受磁场力的方向是，这两个力（选填“是”或“不是”）一对平衡力。

21. (1) 电源 铝棒 (2) 竖直向上 不是

【分析】
第(1)问：研究磁场对通电直导线的作用，需让导体中有电流通过，因此M、N之间要接入电源提供电能；选择导体棒时，铁棒是铁磁性材料，会被蹄形磁铁吸引干扰实验，铝棒不会被磁铁吸引，故选铝棒。
第(2)问：通电导体在磁场中受力方向与电流方向、磁场方向有关，磁场相同时，电流方向相反则受力方向相反；平衡力需满足“同物、等大、反向、共线”，据此判断两个力是否为平衡力。
【解析】
(1) 研究磁场对通电直导线的作用，必须给导体通电，所以M、N之间应接入电源；由于铁棒会被蹄形磁铁吸引，影响实验的准确性，而铝棒不会被磁铁吸引，因此导体棒选用铝棒。
(2) 通电导体在磁场中受力的方向由电流方向和磁场方向决定，当磁场方向不变时，电流方向相反，受力方向相反。已知cd段导线受力竖直向下，ab段与cd段磁场方向相同、电流方向相反，故ab段受力方向为竖直向上；一对平衡力需要作用在同一物体上、大小相等、方向相反且在同一直线上，ab和cd段的受力作用在同一线圈的不同位置，不在同一直线上，因此这两个力不是一对平衡力。
【答案】
(1) 电源；铝棒 (2) 竖直向上；不是
【知识点】
磁场对通电导线的作用；平衡力的条件
【点评】
本题考查磁场对通电导线作用的实验原理及平衡力的判断，属于基础知识点的应用，需要学生掌握通电导体受力方向的影响因素和平衡力的判定条件。
【难度系数】
0.6

22.下图是“探究电流产生的热量与哪些因素有关”的实验装置,甲、乙两图的密闭容器中都装有等量的空气。

22题图
(1)图甲装置可研究电流产生的热量与的关系。
(2)图乙两密闭容器中的电阻丝阻值相等,在其中一容器外部并联一个阻值相等的电阻e。若两侧U形管液面高度变化相同,则故障可能是。排除故障后通电相同时间,发现左侧U形管内液面高度变化明显,这表明:在电阻和通电时间相同的情况下,通过导体的越大,产生的热量越多。
(3)为了使乙实验中两侧U形管液面高度差更明显,可将空气盒外电阻换成(选填“大于”或“小于”)5 Ω的电阻。
(4)在图甲中,相同时间内,a和b两电阻产生的热量之比为。

22. (1) 电阻 (2) 电阻e断路 电流 (3) 小于 (4) 1:2

【分析】
本题围绕探究电流产生热量的实验，需结合焦耳定律$Q=I^2Rt$，利用控制变量法分析各问题：
(1) 甲图中两电阻串联，电流、通电时间相同，电阻不同，据此判断探究的因素；
(2) 乙图中，正常时干路电流等于支路电流之和，若两侧液面变化相同，说明支路电流相等，分析故障；排除故障后，对比电流对热量的影响；
(3) 要增大乙图两侧液面差，需增大两电阻的电流差，结合并联电阻的规律分析；
(4) 甲图中两电阻串联，电流、时间相同，热量比等于电阻比。
【解析】
(1) 图甲中，电阻丝$a$（$5\Omega$）和$b$（$10\Omega$）串联，通过它们的电流$I$和通电时间$t$均相同，仅电阻$R$不同，根据控制变量法，可研究电流产生的热量与电阻的关系；
(2) 图乙中，正常情况下，电阻丝$c$与$d$、$e$的并联电路串联，干路电流$I_c=I_d+I_e$，因此$c$的电流大于$d$的电流，相同时间内$c$产生的热量更多，左侧液面变化更明显。若两侧$U$形管液面高度变化相同，说明$I_c=I_d$，即$I_e=0$，故障为电阻$e$断路；排除故障后，$c$的电流大于$d$的电流，两者电阻相同、通电时间相同，左侧液面变化明显，表明在电阻和通电时间相同的情况下，通过导体的电流越大，产生的热量越多；
(3) 乙图中，要使两侧$U$形管液面高度差更明显，需增大$c$和$d$的电流差。将空气盒外的电阻$e$换成小于$5\Omega$的电阻时，并联部分的总电阻更小，干路电流$I_c$更大，$d$所在支路的电流更小，电流差增大，液面差更明显；
(4) 图甲中，$a$和$b$串联，电流$I$、通电时间$t$相同，根据焦耳定律$Q=I^2Rt$，热量之比$Q_a:Q_b=(I^2R_a t):(I^2R_b t)=R_a:R_b=5\Omega:10\Omega=1:2$。
【答案】
(1) 电阻 (2) 电阻$e$断路；电流 (3) 小于 (4) $1:2$
【知识点】
焦耳定律、控制变量法、串并联电路电流规律
【点评】
本题通过探究电流产生热量的实验，综合考查了控制变量法的应用、焦耳定律的计算以及串并联电路电流特点的分析，需熟练掌握相关知识才能逐步推导解答，是电学实验的典型题型。
【难度系数】
0.5

23. 右图是“探究导体在磁场中运动时产生感应电流的条件”的实验装置。闭合开关后，铜棒ab、灵敏电流计和开关组成闭合回路。
(1)若使铜棒ab沿竖直方向运动，则灵敏电流计的指针(选填“会”或“不会”，下空同)发生偏转；若使铜棒ab沿水平方向左右运动，则灵敏电流计的指针发生偏转。根据这一发现，人们发明了机。

(2)要使灵敏电流计指针偏转的方向发生改变，可以采取的两种方法：
①；
②。
(3)若加快铜棒ab的运动速度，灵敏电流计指针偏转的角度会变；电路中感应电流的大小还与的强弱有关。

23. (1) 不会 会 发电 (2) ① 保持铜棒ab切割磁感线的方向不变,对调磁极使磁场方向反向 ② 保持磁体不动,使铜棒ab切割磁感线的方向反向 (3) 大 磁场

【分析】
要解决本题，需掌握电磁感应的核心规律：感应电流产生的条件是闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动；感应电流的方向与磁场方向、导体切割磁感线的运动方向有关；感应电流的大小与导体运动速度、磁场强弱有关。先判断铜棒ab的运动是否切割磁感线，再结合规律分析各问题。
【解析】
(1) 感应电流产生的条件是闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动。铜棒ab竖直方向运动时，运动方向与磁感线方向平行，未切割磁感线，电路中无感应电流，灵敏电流计指针不会偏转；水平方向左右运动时，铜棒ab切割磁感线，电路产生感应电流，指针会偏转。该现象是电磁感应，据此发明了发电机。
(2) 感应电流方向由磁场方向和导体切割磁感线的运动方向决定，改变其中一个因素即可改变电流方向，方法为：①保持铜棒ab切割磁感线的方向不变，对调磁极使磁场方向反向；②保持磁体不动，使铜棒ab切割磁感线的方向反向。
(3) 感应电流大小与导体运动速度有关，加快铜棒ab的运动速度，感应电流变大，灵敏电流计指针偏转角度变大；同时感应电流大小还与磁场的强弱有关。
【答案】
(1) 不会 会 发电 (2) ① 保持铜棒ab切割磁感线的方向不变，对调磁极使磁场方向反向 ② 保持磁体不动，使铜棒ab切割磁感线的方向反向 (3) 大 磁场
【知识点】
电磁感应现象；感应电流的方向；感应电流的大小
【点评】
本题考查电磁感应实验的基础知识点，涵盖感应电流产生条件、方向和大小的影响因素，属于电磁学核心基础内容，需准确理解相关规律。
【难度系数】
0.6