4. 小明设计了一个电梯自动报警模拟装置，如图(a)所示。在控制电路中，电源电压U为12 V，R₁为滑动变阻器，R₂为压敏电阻，R₂的阻值大小随压力F的变化关系如图(b)所示，电磁铁线圈的电阻R₀为10 Ω。闭合开关S₁和S₂，当压敏电阻受到的压力达到4000 N时，电磁铁线圈中的电流为0.1 A，此时衔铁被吸下，受控电路中电动机停止工作，报警铃声开始响起。
(1)S₁闭合时，电磁铁的上端为
(2)根据题意，在图(a)受控电路的虚线框内分别填上电铃、电动机符号。
(3)当电梯自动报警铃声开始响起时，R₁的功率为多大？
(4)若要使电梯最大载重减小，可采取怎样的措施？
(1)S₁闭合时，电磁铁的上端为
S
极。(2)根据题意，在图(a)受控电路的虚线框内分别填上电铃、电动机符号。
(3)当电梯自动报警铃声开始响起时，R₁的功率为多大？
(4)若要使电梯最大载重减小，可采取怎样的措施？
答案：(2) 解：$R_{总}=20\ \mathrm {Ω}+30\ \mathrm {Ω}=50\ \mathrm {Ω}$，$I=\frac {6\ \mathrm {V}}{50\ \mathrm {Ω}}=0.12\ \mathrm {A}$，$P=UI=6\ \mathrm {V}×0.12\ \mathrm {A}=0.72\ \mathrm {W}$
(3) 解：$R_{总}'=\frac {6\ \mathrm {V}}{0.12\ \mathrm {A}}=50\ \mathrm {Ω}$，$R_0'=50\ \mathrm {Ω}-10\ \mathrm {Ω}=40\ \mathrm {Ω}$
S
(3) 解：$R_1=\frac {12\ \mathrm {V}}{0.1\ \mathrm {A}}-10\ \mathrm {Ω}-30\ \mathrm {Ω}=80\ \mathrm {Ω}$，$P=I^2R_1=(0.1\ \mathrm {A})^2×80\ \mathrm {Ω}=0.8\ \mathrm {W}$
(4) 将$R_1$接入电路中阻值调小，或增大电源U 的电压值
(3) 解：$R_{总}'=\frac {6\ \mathrm {V}}{0.12\ \mathrm {A}}=50\ \mathrm {Ω}$，$R_0'=50\ \mathrm {Ω}-10\ \mathrm {Ω}=40\ \mathrm {Ω}$
S
(3) 解：$R_1=\frac {12\ \mathrm {V}}{0.1\ \mathrm {A}}-10\ \mathrm {Ω}-30\ \mathrm {Ω}=80\ \mathrm {Ω}$，$P=I^2R_1=(0.1\ \mathrm {A})^2×80\ \mathrm {Ω}=0.8\ \mathrm {W}$
(4) 将$R_1$接入电路中阻值调小，或增大电源U 的电压值
解析：
【分析】
本题是电磁继电器与电学计算结合的综合题，需分四个小问题逐一突破：
1. 问题(1)：通过安培定则判断电磁铁极性，核心是明确螺线管的电流方向与绕线方式；
2. 问题(2)：根据衔铁吸合前后的电路状态（电动机停止、电铃工作），对应判断受控电路的元件连接；
3. 问题(3)：先结合图像获取压力为4000N时压敏电阻的阻值，再利用欧姆定律求出控制电路总电阻，进而得到$R_1$的阻值，最后用功率公式计算其功率；
4. 问题(4)：要减小电梯最大载重，需分析更小压力下（$R_2$阻值更大），如何让控制电路电流仍能达到触发值，结合欧姆定律推导调整措施。
【解析】
(1) 判断电磁铁极性：
根据安培定则：右手握住电磁铁，四指指向控制电路的电流方向（电流从电磁铁下端流入、上端流出），大拇指指向下端（N极），因此电磁铁的上端为$\boldsymbol{S}$（南）极。
(2) 受控电路元件判断：
当压力未达到4000N时，衔铁未被吸下，受控电路接通电动机，电梯正常运行；当压力达到4000N时，衔铁被吸下，电动机停止、电铃报警。因此上方虚线框填电动机，下方虚线框填电铃。
(3) 计算$R_1$的功率：
① 已知报警时控制电路电流$I=0.1\ \mathrm{A}$，电源电压$U=12\ \mathrm{V}$，由欧姆定律可得控制电路总电阻：
$R_{总}=\frac{U}{I}=\frac{12\ \mathrm{V}}{0.1\ \mathrm{A}}=120\ \mathrm{Ω}$
② 由图(b)可知，当$F=4000\ \mathrm{N}$时，$R_2=30\ \mathrm{Ω}$，电磁铁线圈电阻$R_0=10\ \mathrm{Ω}$，根据串联电路电阻规律：
$R_1=R_{总}-R_0-R_2=120\ \mathrm{Ω}-10\ \mathrm{Ω}-30\ \mathrm{Ω}=80\ \mathrm{Ω}$
③ 根据电功率公式$P=I^2R$，计算$R_1$的功率：
$P_1=I^2R_1=(0.1\ \mathrm{A})^2×80\ \mathrm{Ω}=0.8\ \mathrm{W}$
(4) 调整最大载重的措施：
要使电梯最大载重减小，即更小压力下（此时$R_2$阻值更大），控制电路电流仍能达到$0.1\ \mathrm{A}$以触发报警。根据$I=\frac{U}{R_0+R_1+R_2}$：
若$R_2$增大，减小$R_1$的接入阻值，可保证总电阻不变，电流仍为$0.1\ \mathrm{A}$；
增大电源电压$U$，即使总电阻增大，也能让电流达到$0.1\ \mathrm{A}$。
因此措施为：$\boldsymbol{将R_1接入电路中阻值调小，或增大电源U的电压值}$。
【答案】
(1) $\boldsymbol{S}$（南）
(2) 上方虚线框：$\boldsymbol{电动机}$，下方虚线框：$\boldsymbol{电铃}$
(3) $\boldsymbol{0.8\ \mathrm{W}}$
(4) $\boldsymbol{将R_1接入电路中阻值调小，或增大电源U的电压值}$
【知识点】
1. 安培定则的应用
2. 欧姆定律的串联应用
3. 电功率的计算
【点评】
本题将电磁继电器的工作原理与电学计算结合，既考查了电磁学的基本规律，又要求学生灵活运用欧姆定律、电功率公式解决实际问题，对学生的综合分析能力和知识迁移能力有较高要求。
【难度系数】
0.4
本题是电磁继电器与电学计算结合的综合题，需分四个小问题逐一突破：
1. 问题(1)：通过安培定则判断电磁铁极性，核心是明确螺线管的电流方向与绕线方式；
2. 问题(2)：根据衔铁吸合前后的电路状态（电动机停止、电铃工作），对应判断受控电路的元件连接；
3. 问题(3)：先结合图像获取压力为4000N时压敏电阻的阻值，再利用欧姆定律求出控制电路总电阻，进而得到$R_1$的阻值，最后用功率公式计算其功率；
4. 问题(4)：要减小电梯最大载重，需分析更小压力下（$R_2$阻值更大），如何让控制电路电流仍能达到触发值，结合欧姆定律推导调整措施。
【解析】
(1) 判断电磁铁极性：
根据安培定则：右手握住电磁铁，四指指向控制电路的电流方向（电流从电磁铁下端流入、上端流出），大拇指指向下端（N极），因此电磁铁的上端为$\boldsymbol{S}$（南）极。
(2) 受控电路元件判断：
当压力未达到4000N时，衔铁未被吸下，受控电路接通电动机，电梯正常运行；当压力达到4000N时，衔铁被吸下，电动机停止、电铃报警。因此上方虚线框填电动机，下方虚线框填电铃。
(3) 计算$R_1$的功率：
① 已知报警时控制电路电流$I=0.1\ \mathrm{A}$，电源电压$U=12\ \mathrm{V}$，由欧姆定律可得控制电路总电阻：
$R_{总}=\frac{U}{I}=\frac{12\ \mathrm{V}}{0.1\ \mathrm{A}}=120\ \mathrm{Ω}$
② 由图(b)可知，当$F=4000\ \mathrm{N}$时，$R_2=30\ \mathrm{Ω}$，电磁铁线圈电阻$R_0=10\ \mathrm{Ω}$，根据串联电路电阻规律：
$R_1=R_{总}-R_0-R_2=120\ \mathrm{Ω}-10\ \mathrm{Ω}-30\ \mathrm{Ω}=80\ \mathrm{Ω}$
③ 根据电功率公式$P=I^2R$，计算$R_1$的功率：
$P_1=I^2R_1=(0.1\ \mathrm{A})^2×80\ \mathrm{Ω}=0.8\ \mathrm{W}$
(4) 调整最大载重的措施：
要使电梯最大载重减小，即更小压力下（此时$R_2$阻值更大），控制电路电流仍能达到$0.1\ \mathrm{A}$以触发报警。根据$I=\frac{U}{R_0+R_1+R_2}$：
若$R_2$增大，减小$R_1$的接入阻值，可保证总电阻不变，电流仍为$0.1\ \mathrm{A}$；
增大电源电压$U$，即使总电阻增大，也能让电流达到$0.1\ \mathrm{A}$。
因此措施为：$\boldsymbol{将R_1接入电路中阻值调小，或增大电源U的电压值}$。
【答案】
(1) $\boldsymbol{S}$（南）
(2) 上方虚线框：$\boldsymbol{电动机}$，下方虚线框：$\boldsymbol{电铃}$
(3) $\boldsymbol{0.8\ \mathrm{W}}$
(4) $\boldsymbol{将R_1接入电路中阻值调小，或增大电源U的电压值}$
【知识点】
1. 安培定则的应用
2. 欧姆定律的串联应用
3. 电功率的计算
【点评】
本题将电磁继电器的工作原理与电学计算结合，既考查了电磁学的基本规律，又要求学生灵活运用欧姆定律、电功率公式解决实际问题，对学生的综合分析能力和知识迁移能力有较高要求。
【难度系数】
0.4