设计性物理实验-黑盒子实验

西北工业大学

设计性基础物理实验报告班级：11051401 姓名：日期：2016.05.06

黑盒子实验

一、实验目的

1、学习使用示波器对黑盒子中电学元件进行判别及估算；

2、培养设计检测步骤和综合分析推理的能力。

二、实验仪器（名称、型号及参数）

TDS1001B波形输出器示波器电阻箱电容箱导线黑盒子

三、实验原理

黑盒子里的元件可能是干电池、定值电阻、电容器、半导体二极管、电感器等，各元件链接在接线端，元件之间可能是并联、串联。使用如下电路图：

信号发生器输出正弦波信号电压输入；R0取适当值；CH1测量取样电阻箱两端电压；CH2检测信号发生器输出电压；虚线框内的i\j表示黑盒子面板上的接线柱，实验观测中i端对应信号发生器输出正端。

假设信号发生器输出正弦波信号幅度为A0、频率为f，各元件检测判断过程如下：

1.电阻元件

示波器CH1通道显示U R为正弦波，幅度A< A0，若f变化A不变。

2.电容

示波器CH1通道显示U R为正弦波，幅度A< A0，若f变化A也变化，且f和A同变

化。

3.电感

示波器CH1通道显示U R为正弦波，幅度A< A0，若f变化A也变化，且f和A变化不同步。

4.二极管

示波器CH1通道显示U R为半波，并可由脉冲向上还是向下判断二极管的正负极。

5.电池

先用示波器判断有无电池，此时示波器为直流。

四、实验内容与方法

黑盒子1

黑盒子1有四个接线柱，每两个接线柱之间最多连接一个元件，盒内三个元件可能是电池、电阻、电容、电感或半导体二极管。

按一定顺序连接各个接线柱，用示波器测量信号发生器和取样电阻箱两端电压，记录示波器波形；调节信号发生器频率，观察记录A的变化。

黑盒子2

黑盒子2内含有三个电磁学元件，组成三角形连接方式。接线柱1、2之间为X，接线柱2、3之间为Y，接线柱1、3直接为Z。

按照与黑盒子1相同的方法确定各个接线柱之间的电磁学元件，之后测量三个电磁学元件的数值。

将黑盒子内电阻与取样电阻串联可以测得黑盒子内电阻的数值；将黑盒子内电容与取样电容并联可以测得电感、电容的数值。

五、实验数据记录与处理（列表记录数据并写出主要处理过程）

黑盒子1

将测量接线柱1、2，调节示波器测量方式为直流，此时无现象，说明黑盒子内无电池。

调解示波器测量方式为交流，测量接线柱两端：（显示均为正弦波）

1、2

CH2显示在1.68V左右，CH1显示在1.12V左右，高频低频下状态相同。

1、3

高频状态下：CH2在1.56V左右，CH1在1.52V左右

低频状态下：CH2在1.85V左右，CH1在200mV-800mV

f=200Hz CH1=1.26V CH2=1.68V

1、4

高频状态下：CH2=1.74V CH1显示为几百毫伏

低频状态下：CH2=1.74V CH1=1.00V-1.04V

f=200.70Hz CH1=1.06V CH2=1.70V

2、3

高频状态下：CH2=1.68V CH1=1.10V

低频状态下：CH2=1.90V CH1显示为几百毫伏

f=100.70Hz CH1=820mV CH2=1.82V

2、4

高频状态下：CH2=1.74V CH1=1.18V

低频状态下：CH2=1.54V CH1=1.38V

f=710.70Hz CH1=1.32V CH2=1.66V

3、4

高、低频状态下：CH2=1.70-1.74V CH1=1.00-1.04V

黑盒子2（显示均为正弦波）

1、2

f↑，CH1↓

f=550.70Hz CH1=1.30V CH2=1.66V

1、3

f↑，CH1↑（800mV-1.14V）, CH2=1.72-1.76V

2、3

f↑，CH1↓↑（800mV-740mV-1.02V）, CH2=1.74-1.82V

六、实验分析与讨论

根据实验数据推断黑盒子1与黑盒子2的内部电路如下：

推断依据为：

黑盒子1

①示波器直流档无现象，说明黑盒子内没有电池元件；

②各个接线柱之间的波形均为正弦波，则黑盒子内部没有二极管，黑盒子内部应为电阻、电容和电感三个元件的组合；

③电容元件“通高频、阻低频”，经过观察和比较，连接1、3和2、3接线柱的有此性质，因此可推测1、3和2、3之间有电容元件。其中在高频状态下1、3分压更小，因此可推测

1、3接线柱之间为电容元件，

2、3接线柱之间存在电阻分压；

④电感元件“通低频、阻高频”，经过观察和比较，连接1、4和2、4接线柱的有此性质，因此可推测1、4和2、4之间有电感元件。其中在低频状态下2、4分压更小，因此可推测

2、4接线柱之间为电感元件，1、4接线柱之间存在电阻分压；

⑤1、2和3、4接线柱之间均在高频和低频状态下相差不大，可推测电阻在这之间。因为1、2黑盒子分压比3、4小，因此可推测1、2接线柱之间为电阻元件，3、4接线柱之间为电阻、电感、电容三个元件串联。

计算如下：

R0=200Ω

R=0.56V/1.12V*200Ω=100Ω

R C=(1.68-1.26)/1.26*200=66.7Ω C=11.94μF

R L=（1.66-1.32）、1.32*200=51.52Ω L=0.01154

黑盒子2

①一直黑盒子2内有三个电磁元件，呈三角形组成。当接线柱接任意两端时，其余两个串联——当接在电感两端时，电容和电阻串联，电阻影响电容特性；当接在电容两端时，电阻影响电感特性；当接在电阻两端时，电容和电感串联，根据电感和电阻曲线图来分析；

②经过比较三组数据，可得到在1、2接线柱两端，随着频率的增大黑盒子分压越来越大，因此1、2接线柱两端应为电感。在2、3两端，随着频率的增大黑盒子分压越来越小，因此

2、3接线柱两端应为电容；

③根据电容和电感特性图，黑盒子两端分压可能随着频率的增加而先减（电容分压下降快）后增（电感分压上升快），实验数据吻合这点，因此可判断1、3接线柱之间为电阻。