1. 在“探究通电螺线管外部的磁场分布”的实验中，实验装置如图甲所示。

(1)如图甲所示，在嵌有螺线管的玻璃板上均匀地撒满细铁屑，选用铁屑而非铜屑的原因是铁屑能够被。
(2)闭合开关，轻敲玻璃板，观察到铁屑分布情况如图甲所示，铁屑的分布情况与磁体周围铁屑的分布情况相似。
(3)断开开关，把小磁针放在通电螺线管四周不同的位置，这是为了探究。此时小磁针静止，其N极指向地理的（选填“南极”或“北极”）。
(4)闭合开关，小磁针的指向如图乙所示。根据图中小磁针的指向可以判断出通电螺线管的右端为极。
(5)为进一步探究通电螺线管的极性与环绕螺线管的电流方向之间的关系，接下来的操作是，观察。
【拓展设问】
(6)另一个小组的同学实验时发现闭合开关并轻敲玻璃板后，铁屑几乎没有什么变化，其可能原因是（写一条即可）。
(7)(科学推理) 地球周围存在磁场，有学者认为，地磁场是由于地球带电自转形成环形电流，根据地磁场分析推断，图丙中地球的环形电流方向与地球自转方向（选填“相同”或“相反”）。

1.(1)磁化 (2)条形 (3)磁场的方向；北极 (4)S (5)改变线圈中的电流方向；小磁针的偏转 (6)电源电压太低 (7)相反
【点拨】(6)闭合开关并轻敲玻璃板后铁屑几乎没有变化，可能是因为电源电压太低。电源电压太低会使得电路中的电流过小，通电螺线管的磁性就很弱，从而对铁屑的作用力太小，导致铁屑几乎不发生变化。(7)由地磁场知识可知，地磁北极在地理南极附近，结合安培定则可知，图丙中地球的环形电流方向与地球自转方向相反。

【分析】
本题围绕“探究通电螺线管外部的磁场分布”实验展开，需结合磁化现象、通电螺线管的磁场特点、磁场方向规定、安培定则、地磁场等知识逐一分析各小问：
1. 铁屑的作用利用磁性材料的磁化特性，铜屑无法被磁化，不能显示磁场分布；
2. 通电螺线管外部磁场与条形磁体磁场分布相似；
3. 小磁针可指示磁场方向，其N极指向地理北极（因地磁场南极在地理北极附近）；
4. 依据小磁针N极指向（磁场方向），结合螺线管外部磁场从N极指向S极，可判断螺线管磁极；
5. 探究极性与电流方向的关系，需改变电流方向，观察小磁针偏转判断极性变化；
6. 铁屑无变化是螺线管磁性太弱，可能是电流过小；
7. 根据地磁场特点和安培定则，判断环形电流与自转方向的关系。
【解析】
(1) 铁是磁性材料，能够被磁化，铜屑不能被磁化，无法显示磁场分布，因此选用铁屑。
(2) 闭合开关后，通电螺线管的铁屑分布与条形磁体周围铁屑的分布情况相似，说明通电螺线管外部磁场和条形磁体磁场分布一致。
(3) 把小磁针放在通电螺线管四周，是为了探究通电螺线管周围的磁场方向；小磁针静止时N极指向地理北极，因为地磁场的南极在地理北极附近，异名磁极相互吸引。
(4) 图乙中小磁针N极指向螺线管右端，根据磁场方向规定（小磁针N极指向为该点磁场方向），结合通电螺线管外部磁场从N极指向S极，可知螺线管右端为S极。
(5) 探究通电螺线管的极性与电流方向的关系，需改变线圈中的电流方向（如对调电源正负极），观察小磁针的偏转方向，判断极性是否改变。
(6) 闭合开关后铁屑几乎无变化，是因为通电螺线管磁性太弱，可能原因是电源电压太低，导致电路中电流过小，磁性弱，无法带动铁屑排列。
(7) 地磁场的北极在地理南极附近，根据安培定则，右手握住地球，大拇指指向地理南极（地磁场N极），四指环绕方向为环形电流方向，与地球自转方向（自西向东）相反。
【答案】
(1)磁化 (2)条形 (3)磁场的方向；北极 (4)S (5)改变线圈中的电流方向；小磁针的偏转 (6)电源电压太低（合理即可） (7)相反
【知识点】
通电螺线管的磁场、地磁场、安培定则、磁化现象
【点评】
本题是实验探究类题目，围绕通电螺线管磁场的核心知识点展开，涵盖实验原理、现象分析、结论推导及地磁场拓展应用，注重基础物理知识的考查，要求学生掌握实验方法和相关概念。
【难度系数】
0.7

1. （跨学科实践）冬天坐在马桶上感觉冰凉，某学习小组展开“自制智能电热马桶圈”的项目化学习。在老师的指导下小组同学制订了评价量表，表一为部分评价指标。图甲是该小组同学设计的电路图。控制电路电源电压$U_{控}=6\ \mathrm{V}$，$R_a$为压敏电阻，其阻值随压力的变化如图乙所示。$R_b$为热敏电阻，其阻值随温度变化如表二所示。电磁继电器在电流大于等于40 mA时，衔铁被吸合，工作电路处于加热状态；在电流小于等于20 mA时，衔铁被释放，工作电路处于保温状态。工作电路的电源电压为220 V，$R_2=100\ \Omega$。（电磁铁线圈电阻忽略不计，g取10 N/kg）

表一
| 维度 | 优秀 | 良好 | 待改进 |
|------------|--------------------------|--------------------------|--------------------------|
| 升温维度 | 坐在马桶圈上5 s内温度上升至30 ℃以上 | 坐在马桶圈上10 s内温度上升至30 ℃以上 | 坐在马桶圈上10 s内温度无法上升至30 ℃ |
| 节能性 | 保温挡时工作电路电流不大于50 mA | 保温挡时工作电路电流范围为50～100 mA | 保温挡时工作电路电流大于100 mA |

表二
| 温度/℃ | 20 | 25 | 29 | 32 | 34 | 35 | 36 | 37 | 38 | 40 | 42 | 44 |
|--------|----|----|----|----|----|----|----|----|----|----|----|----|
| 阻值/Ω | 25 | 50 | 75 | 100 | 125 | 150 | 175 | 200 | 225 | 250 | 275 | 300 |

(1)当$R_1$的阻值为2 650 Ω时，所设计的智能电热马桶圈在“节能性”这一维度的评价等级为。
(2)（电路改进）为使智能电热马桶圈在“节能性”这一维度达到优秀，$R_1$的阻值至少为 Ω。
(3)质量为40 kg的小明坐在马桶上时，马桶圈的温度调控范围为 ℃。

1.(1)良好 (2)4 300 (3)32～40
【点拨】(1)当触点开关断开时，$R_1$和$R_2$串联，而触点开关闭合时，$R_1$被短路，根据串联总电阻比任何一个分电阻大及$P=\frac{U^2}{R}$知，当触点开关闭合时处于加热挡，而触点开关断开时处于保温挡。保温挡时$R_1$和$R_2$串联，此时电路的总电阻$R_总=R_1+R_2=2\ 650\ \Omega+100\ \Omega=2\ 750\ \Omega$，电路中的电流$I=\frac{U}{R_总}=\frac{220\ \mathrm{V}}{2\ 750\ \Omega}=0.08\ \mathrm{A}=80\ \mathrm{mA}$，对照表一可知，马桶圈在“节能性”这一维度的评价等级是良好。(2)马桶圈处于保温挡时$R_1$和$R_2$串联，工作电路的电压为220 V，维度达到优秀要求在保温挡时工作电路电流不大于$50\ \mathrm{mA}=0.05\ \mathrm{A}$，由$I=\frac{U}{R}$可得，此时总电阻$R_总'=\frac{U}{I'}=\frac{220\ \mathrm{V}}{0.05\ \mathrm{A}}=4\ 400\ \Omega$，根据串联电路的电阻特点知，$R_1$的最小阻值$R_1'=R_总'-R_2=4\ 400\ \Omega-100\ \Omega=4\ 300\ \Omega$。(3)质量为40 kg的小明坐在马桶上时，压力$F=G=mg=40\ \mathrm{kg}×10\ \mathrm{N/kg}=400\ \mathrm{N}$，根据图乙知，此时$R_a=50\ \Omega$，控制电路电源电压$U_控=6\ \mathrm{V}$，在电流小于等于$20\ \mathrm{mA}=0.02\ \mathrm{A}$时，衔铁被释放，工作电路处于保温状态，此时温度最高，则总电阻$R_总''=\frac{U_控}{I''}=\frac{6\ \mathrm{V}}{0.02\ \mathrm{A}}=300\ \Omega$，根据串联电路的电阻特点知，$R_b$的最大阻值$R_{b\mathrm{max}}=R_总''-R_a=300\ \Omega-50\ \Omega=250\ \Omega$，根据表格中数据知，此时温度为$40\ °\mathrm{C}$；当电磁继电器在电流大于等于$40\ \mathrm{mA}=0.04\ \mathrm{A}$时，衔铁被吸合，此时温度最低，则总电阻$R_总'''=\frac{U_控}{I'''}=\frac{6\ \mathrm{V}}{0.04\ \mathrm{A}}=150\ \Omega$，根据串联电路的电阻特点知，$R_b$的最小阻值$R_{b\mathrm{min}}=R_总'''-R_a=150\ \Omega-50\ \Omega=100\ \Omega$，根据表格中数据知，此时温度为$32\ °\mathrm{C}$，故马桶圈的温度调控范围是$32∼40\ °\mathrm{C}$。

【分析】
本题是结合电路知识与实际应用的跨学科题目，需区分控制电路和工作电路，结合串联电路规律、欧姆定律及电磁继电器的工作原理分析：
(1) 判断节能性评价，需先计算保温挡的工作电流，再对照评价量表的节能性维度确定等级；
(2) 达到节能性优秀，需根据优秀要求的保温电流，结合欧姆定律算出总电阻，进而得到R₁的最小阻值；
(3) 先由小明质量算出压力，得到压敏电阻阻值，再根据电磁继电器的电流阈值（保温≤20mA、加热≥40mA），结合控制电路电压算出对应热敏电阻阻值，最后查表得到温度范围。
【解析】
(1) 保温挡时，工作电路中R₁与R₂串联，总电阻：$R_{总}=R_1+R_2=2650\ \Omega+100\ \Omega=2750\ \Omega$；
工作电路电流：$I=\frac{U}{R_{总}}=\frac{220\ \mathrm{V}}{2750\ \Omega}=0.08\ \mathrm{A}=80\ \mathrm{mA}$；
对照表一节能性维度：保温挡电流50～100mA为良好，故评价等级为良好。
(2) 节能性优秀要求保温挡电流$I'≤50\ \mathrm{mA}=0.05\ \mathrm{A}$，此时总电阻：$R_{总}'=\frac{U}{I'}=\frac{220\ \mathrm{V}}{0.05\ \mathrm{A}}=4400\ \Omega$；
R₁的最小阻值：$R_1'=R_{总}'-R_2=4400\ \Omega-100\ \Omega=4300\ \Omega$。
(3) 小明的重力（即压力）：$F=G=mg=40\ \mathrm{kg}×10\ \mathrm{N/kg}=400\ \mathrm{N}$；
由图乙得，压力400N时，$R_a=50\ \Omega$；
保温状态时，控制电路电流$I_{保}≤20\ \mathrm{mA}=0.02\ \mathrm{A}$，总电阻：$R_{总保}=\frac{U_{控}}{I_{保}}=\frac{6\ \mathrm{V}}{0.02\ \mathrm{A}}=300\ \Omega$；
此时热敏电阻阻值：$R_{bmax}=R_{总保}-R_a=300\ \Omega-50\ \Omega=250\ \Omega$，查表得对应温度为40℃；
加热状态时，控制电路电流$I_{加}≥40\ \mathrm{mA}=0.04\ \mathrm{A}$，总电阻：$R_{总加}=\frac{U_{控}}{I_{加}}=\frac{6\ \mathrm{V}}{0.04\ \mathrm{A}}=150\ \Omega$；
此时热敏电阻阻值：$R_{bmin}=R_{总加}-R_a=150\ \Omega-50\ \Omega=100\ \Omega$，查表得对应温度为32℃；
故温度调控范围为32～40℃。
【答案】
(1)良好 (2)4300 (3)32～40
【知识点】
串联电路电阻规律、欧姆定律应用、压力与重力计算
【点评】
本题为跨学科实践题，结合电路知识与生活应用场景，考查学生对电磁继电器工作原理、串联电路规律及欧姆定律的综合应用能力，需区分控制电路与工作电路，结合表格数据进行分析，体现了物理知识的实用性。
【难度系数】
0.5