電學(xué)黑箱實(shí)驗(yàn)*

周銳華 陳 紅 胡曉暉

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

周少娜

(華南師范大學(xué)物理學(xué)科基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 廣東 廣州 510006)

1 引言

電學(xué)黑箱問題是指對(duì)某一含有多種未知電學(xué)元件的系統(tǒng)，在不打開和不損壞其結(jié)構(gòu)的情況下，通過實(shí)驗(yàn)來研究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的問題.黑箱的探測方法有分析法、綜合法和假設(shè)法等多種方法，而探測的工具一般都是萬用表，有時(shí)也可以使用外接電源、電阻、滑動(dòng)變阻器、燈泡、導(dǎo)線等[1].電學(xué)“黑箱”問題的探測是復(fù)雜的、靈活的，解決此問題要從各元件的基本特點(diǎn)和測量原理入手，因此需要了解各種電學(xué)元件的特性從而進(jìn)行更加準(zhǔn)確的測量.

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 電學(xué)黑箱問題的分類

“電學(xué)黑箱”種類很多，沒有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，而實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常見到的是直線型和三角型，如圖1所示.

(a)直線型黑箱

(b)三角形黑箱

2.2 各元件的特點(diǎn)及測量原理

(1)電阻：有雙向?qū)щ娦裕瑢?dǎo)電時(shí)的阻值與電流方向無關(guān).

用萬用表的歐姆擋測量，正反兩面測量，所得到的示數(shù)為常數(shù)，也就是歐姆表測電阻時(shí)，不管紅黑表筆怎樣與電阻連接，測量值是相同的.

(2)電容器：電解質(zhì)電容器分正負(fù)極.充電的電容器為有源元件，沒有充電的電容器則是無源元件.電容器有充放電特性，通交流阻直流，通高頻阻低頻.

首先用歐姆表測量元件的兩端，當(dāng)兩表筆分別接觸電容器的兩根引線時(shí)，表針首先朝順時(shí)針方向(向右)擺動(dòng)，然后又慢慢地向左回歸至∞位置的附近，此過程為電容器的充電過程.再用萬用表的電壓擋反接在電容器兩端(電壓表正偏)，電壓表有示數(shù)，并且指針慢慢地偏向零示數(shù)，這個(gè)過程為放電過程.由此可以判斷該元件為電容器.關(guān)鍵的地方是當(dāng)歐姆表兩表筆與電容器剛連接時(shí)，電表指針大角度偏轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向電流大、電阻示數(shù)小的一方，然后又慢慢返回，最后停在電流為零、電阻示數(shù)無窮大的位置.

(3)二極管：具有單向?qū)щ娦裕蛲姇r(shí)電阻很小，反向通電時(shí)電阻很大.

(4)斷路：用萬用表的歐姆擋測量，正反兩面都是無窮大.

(5)電源：有源元件，能提供電能.用電壓擋測量各個(gè)接線柱，電壓最大的地方為電源所在的電路.

2.3 判斷電學(xué)黑箱的電子元件

判定箱內(nèi)的電子元件，顯然，這屬于探索性實(shí)驗(yàn).具體方法如下：

首先用萬用表的直流電壓擋判斷箱內(nèi)有無電池.即用電壓擋檢測各接線柱之間的電壓：若U≠0，則含電池；若U=0，則不含電池.為防止電源電動(dòng)勢太大損壞電表，先將電壓擋放在較高量程，根據(jù)指針偏轉(zhuǎn)大小再改變到合適的擋.

然后，用歐姆擋判斷元件的性質(zhì).即用歐姆擋檢測電壓為零的接線柱間的電阻情況[2]：

(1)R趨向于零，則為短路.

(2)用歐姆擋測兩個(gè)接線柱間的電阻，并將兩表筆調(diào)換位置再測，若阻值相差很大，則說明有二極管.

(3)用歐姆擋測兩個(gè)接線柱間電阻時(shí)，顯示無窮大，再用電壓擋反接兩個(gè)接線柱，如果有示數(shù)并且電表指針有大幅度偏轉(zhuǎn)，而且慢慢地返回(放電現(xiàn)象),則此接線柱之間的元件為電容器.如果沒有放電現(xiàn)象為斷路.

(4)用歐姆擋測量，正反接均為同一個(gè)常數(shù)，說明此接線柱之間為電阻.

3 實(shí)驗(yàn)方法

3.1 使用萬用表測量三角型黑箱

(1)首先對(duì)萬用表進(jìn)行機(jī)械調(diào)零，調(diào)至電壓擋，將紅黑表筆依次接入AB,BC,CA端，發(fā)現(xiàn)指針并無偏轉(zhuǎn)，說明黑箱不含有源元件[3].然后把萬用表調(diào)至歐姆擋，選擇合適的擋位(實(shí)驗(yàn)中為保護(hù)萬用表統(tǒng)一使用1 k量程，下面不再注釋)，進(jìn)行歐姆調(diào)零.之后將紅黑表筆依次接入AB,BC,CA端，情況如下：

a.正向與反向接入AC端時(shí)均有示數(shù)3.1，由此判斷出AC間為3.1 kΩ的電阻；

b.正向接入BC端時(shí)顯示阻值為1.2 kΩ，反接時(shí)為無窮大，由此判斷BC間為二極管，方向如圖2(b)所示；

c.無論以正反向觸碰CA端時(shí)指針均快速轉(zhuǎn)到零的位置，說明CA間是一根導(dǎo)線.

電路如圖2所示.

圖2 三角形黑箱實(shí)例1

(2)首先對(duì)萬用表進(jìn)行機(jī)械調(diào)零，調(diào)至電壓擋，將紅黑表筆依次接入AB,BC,CA端，發(fā)現(xiàn)AB間有電壓1.5 V，BC間有電壓0.5 V，CA間有電壓1.0 V，由此判斷AB間有1.5 V的電源.然后把萬用表調(diào)至歐姆擋，選擇合適的擋位，進(jìn)行歐姆調(diào)零.之后將紅黑表筆依次接入BC和CA端，情況如下：

a.正向與反向接入BC端時(shí)均有示數(shù)5.0，由此判斷出AC間為5 kΩ的電阻；

b.正向與反向接入CA端時(shí)顯示阻值為10 kΩ，由此判斷BC間為10 kΩ的電阻.

電路如圖3所示.

圖3 三角形黑箱實(shí)例2

3.2 使用萬用表測量直線型黑箱

(1)首先對(duì)萬用表進(jìn)行機(jī)械調(diào)零，調(diào)至電壓擋，將紅黑表筆依次接入AB,BC,CA端，發(fā)現(xiàn)指針并無偏轉(zhuǎn)，說明黑箱不含有源元件.然后把萬用表調(diào)至歐姆擋，選擇合適的擋位，進(jìn)行歐姆調(diào)零.之后將紅黑表筆依次接入AB,BC,CA端，情況如下：

a.正向與反向接入AC端時(shí)均有示數(shù)9.5，由此判斷出AC間為9.5 kΩ的電阻；

b.以正反向觸碰BC端時(shí)指針均快速轉(zhuǎn)到零的位置，說明BC間是一根導(dǎo)線；

c.正向與反向接入CA端時(shí)顯示阻值為9.5 kΩ.

電路圖如圖4所示.

圖4 直線形黑箱實(shí)例1

(2)首先對(duì)萬用表進(jìn)行機(jī)械調(diào)零，調(diào)至電壓擋，將紅黑表筆依次接入AB,BC,CA端，發(fā)現(xiàn)指針并無偏轉(zhuǎn)，說明黑箱不含有源元件.然后把萬用表調(diào)至歐姆擋，選擇合適的擋位，進(jìn)行歐姆調(diào)零.之后將紅黑表筆依次接入AB,BC,CA端，情況如下：

a.正向接入AB端時(shí)顯示阻值為2.3 kΩ，反接時(shí)為無窮大，由此判斷AB間為二極管，方向如圖5(b)所示；

b.正向接入BC端時(shí)表針首先朝順時(shí)針方向(向右)擺動(dòng)，然后又慢慢地向左回歸至∞位置的附近，初步判斷為電容器，接著把萬用表調(diào)至電壓擋，反接在BC兩端(電壓表正偏)，電壓表有示數(shù)，并且慢慢地偏向零，由此可以斷定BC間為電容器;

c.以正反向接入CA端時(shí)指針均指向無窮大的位置.

電路如圖5所示.

圖5 直線形黑箱實(shí)例2

4 關(guān)于實(shí)驗(yàn)的討論

4.1 對(duì)于電容的判斷

用萬用表檢測電容器好壞時(shí)，我們可以根據(jù)表針的擺動(dòng)情況，并結(jié)合與質(zhì)量好的同樣電容器對(duì)比，便可判斷出電容器的好壞：用萬用表的歐姆擋(R×10 k或R×1 k擋，視電容器的容量而定)，當(dāng)兩表筆分別接觸容器的兩根引線時(shí)，表針首先朝順時(shí)針方向(向右)擺動(dòng)，然后又慢慢地向左回歸至∞位置的附近，此過程為電容器的充電過程.

如果表針不動(dòng)，說明電容器內(nèi)部斷路；

如果表針擺動(dòng)很小，說明電容器失效；

如果表針擺到零就不動(dòng)，說明電容器內(nèi)部短路或擊穿；

如果表針擺到零偏轉(zhuǎn)返回后停在一個(gè)較低的阻值上，說明電容器漏電阻較大；

如果表針擺到零偏轉(zhuǎn)返回后停在一個(gè)較高或無窮大的阻值上，說明電容器質(zhì)量好.

而對(duì)于電解電容器的極性判斷一般可以通過直接觀察來分析，新的電解電容器正極針腳長，在負(fù)極外表面標(biāo)“-”(負(fù))號(hào)；如果舊電解電容器已經(jīng)剪齊兩腳，并且外面模糊不清的時(shí)候也可以用萬用表來判斷，將萬用表置R×1k擋，測量其漏電阻大小，然后對(duì)調(diào)表筆再測一次，比較兩次測量結(jié)果，對(duì)漏電阻較大的一次，黑筆所接的一端即為電解電容器的正極，紅表筆所接的一端為電解電容器的負(fù)極.

4.2 黑箱問題流程圖

黑箱問題流程如圖6所示.

圖6 黑箱問題流程圖

5 總結(jié)

解決黑箱問題，首先必須得了解每個(gè)元件的特

性.然后對(duì)線路進(jìn)行測量，根據(jù)測量的結(jié)果進(jìn)行推測，反復(fù)驗(yàn)證，才可以得出正確的電路結(jié)構(gòu).明確輸入和輸出信息之間的因果關(guān)系，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和推斷，可得相應(yīng)的猜想；再通過對(duì)猜想的不斷修正和篩選，使猜想逐步向黑箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)接近，最終達(dá)到猜想和黑箱同構(gòu)．對(duì)于電學(xué)黑箱，根據(jù)電子元件的特性及檢測儀表的使用條件，結(jié)合檢測結(jié)果，進(jìn)行重新驗(yàn)證.

1 朱啟洋. 黑箱在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用:[學(xué)位論文].南京:南京師范大學(xué),2008

2 呂復(fù)田.電學(xué)黑箱題解題思維程序初探.中學(xué)物理教學(xué)參考,2008(9):54～56

3 趙舒澤,劉博,樓珍麗. 電路原理電學(xué)黑箱綜合實(shí)驗(yàn)的拓展與開發(fā). 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2011,9(2):13～15