物理实验论文

用万用表探秘黑箱内部

摘要：

已知大黑箱内有固定电阻、电容、二极管，根据电阻正反接阻值不变，电容的充放电原理和二极管单向导电性、反向电阻无穷大的特性，利用万用表检测小黑箱的内部结构，并画出小黑箱结构电路图。通过这次黑箱实验，对黑相中的元件各种机理进行深刻理解，从而更好的了解其应用。

关键词：黑箱、MF20型万用电表、二极管、电容、电阻、电路图

黑箱，是指那些内部结构和性能无法直接观测，只能通过外部观测和试验去认识其性能和特性的系统或客体。研究黑箱有两种方法，一种是开启黑箱法，即将黑箱分成局部，研究其内部结构和功能。物理学家在研究物质的层次和结构时，就是不断开启黑箱的过程。但由于开启黑箱的时候，可能引起黑箱本身结构和功能的变化，而且有些黑箱是不允许打开或者由于技术问题尚不能打开，所以这种方法有很大局限性。另一种方法是不开启黑箱，即不破坏黑箱本身的结构，而是有目的地对黑箱输入信息，观察黑箱对应的输出信息，并利用分析、综合、类比等逻辑的方法和必要的数学运算而得出结论。

1 解决黑箱问题的原理

1.1解决黑箱问题的基本程序见下图:

黑箱问题虽然带有一定的猜测性,但这种猜测必须符合一定外部特征下所做出的有方向的猜想。黑箱问题属于根据所给结论，进行逆向思维，推断出黑箱内部结构的问题。解决电学黑箱问题的基本思路是：利用所学的电路基础知识，分析题设所给各种数据条件，对黑箱内部电路元件的连接情况进行预判，抓住问题的关键，找到正确的切入点。

1.2黑箱的原件简单介绍：

1.2.1电阻：

一般在电路中所用的电阻，是指专门设计制造的电阻器，简称电阻。普通电阻的阻值与温度的关系接近线性，若0℃时的电阻值为R 0，温度为t 时的电阻值

近似有如下公式：R t = R 0(1+αt), α成为电阻的温度系数。多数电阻的α在

10-4～10-3℃-1数量级，由于这一温度系数较低，随着电流在电阻中的流动，电阻的阻值基本保持不变，而电阻两端的电压降与通过电阻的电流遵循欧姆定律。

1.2.2 电容器

电容器的基本功能是能够被充电和放电，也就是储存电能和释放电能。在充电期间，电容器上的电荷和电压按指数增长，电路中有一指数衰减的充电电流；充电完毕，电流消失，电容上电压达到稳定值而不再变化。

直流电源下有两种状态：

暂态

稳态相当于开路

交流电源下将产生阻抗 C R ω1

=

1.2.3二极管

二极管具有单向导电特性，即正向导通，反向不导通，正、负两个方向的电阻不同。

1.2.4万用表

多用电表是用电流表改装而成的一种多用仪表，一般可以用来测量电流、电压、电阻等，并且每一种测量都有几个量程.

测电流和电压是根据串联和

并联电路特点及部分电路欧姆定律，测电阻是依据全电路欧姆定律.

1.3 解决电学黑箱问题的基本思路

(1)首先必须用直流电压档检测箱中有无干电池及其正负极所在。如果限定箱中只可能有一节干电池，那么用指针式多用表检测时宜先用50Ｖ档，这样在出现反接的情况时，表针仅反打一个多小格，不会受损伤。判断出正负极所在的位置后，再换用小量程(例如Ｖ或2.5Ｖ档)测量电池电压的精确值。如果用数字式多用表检测，直接选2Ｖ档就可以了，它不怕反接，当红表笔接负极、黑表笔接正极时，显示的电压值前面会出现一个负号。

(2)然后再用欧姆档检测。对于指针式多用表，可以先选用×100倍率档。如果正反接显示的阻值相同，就表明所测的两端之间可能接有定值电阻，然后再换用合适的量程测量精确的阻值。如果正反接显示的阻值差别很大，就表明所测的两端之间接有二极管。如果用最高倍率档测量时正反接显示的阻值都是无穷大，就可以判断所测的两端之间可能是断路的或者接的是电容。如果用最低倍率档测量时正反接显示的阻值都是零，就可以判断所测的两端之间可能是短路的，接有一根导线。对于数字式多用表，可以先选用200ｋΩ档检测，方法同上。具体见下表：

2 实验仪器与方法

2.2.1实验器材：

电路黑箱（元件可能是电阻，电容，晶体二极管），MF20型万用表。

2.2.2实验方法与分析：

(1)观察多用电表的外形，认识选择开关的测量项目及量程；

(2)检查多用电表的指针是否停在表盘刻度左端的零位置．若不指零，则可用小

螺丝刀调整机械调零旋钮使指针指零；

(3)将红、黑表笔分别插入“＋”、“－”插孔；

(4)将选择开关置于欧姆挡的“×1”挡，短接红、黑表笔，转动调整欧姆零点的旋钮，使指针指向欧姆表刻度的零位置；

（5）机械调零：熟悉多用电表的表面结构，观察使用前指针是否指在刻度线左端0位置，若不指0，调整调零螺丝，使指针指0：

（6）将多用电表选择开关旋转到欧姆档，用多用表测量黒箱任意两个接线柱间的电阻，正接测一下，反接再测一下。若正接是电阻小，反接电阻很大，则为二极管。

（7）上一步测量中，若出现欧姆表的指针偏到一定值后又返回到+∞，则该两接线柱之间是电容。

（8）第六步测量中，13、12接线柱之间有二极管现象，及正接（前者为电流流入接线柱）电阻很大，反接电阻很小；23之间正反接电阻相同，证明23之间为电阻；14之间通过测量，既有二极管现象，又有电容现象，24、23之间只有电容现象，故可推得，12之间为二极管，方向由2到1,24之间为电容

3.实验结果（电路图见附表1）

小黑箱D

1-2 二极管

2-4 电容

2-3 电阻

4.物理黑箱实验的思维训练功能

1) 逆向思维训练：在黑箱实验中，物理情景中只给出一些外部的信息，学生需要从这些书已知信息出发，倒着展开思路，分析推理产生的原因和条件，探求黑箱的结构。这有效地培养了学生的逆向思维能力。

2) 发散思维训练：许多黑箱部问题内部结构往往并不是唯一确定的，从而会出现多种解答方法，这有效地培养了学生的发散思维能力。

3) 逻辑思维训练：解答黑箱问题，必须具有一定的逻辑分析推理能力，要求做到周密，条理清晰，逻辑严谨。

5.实验总结

根据探究这个小黑箱每组接线柱之间的结构（电阻、电容、二极管）的实验设计思路，我们能够探究更大的黑箱（电感、正负热敏电阻，电源等），了解更多电学元件的特性。通过这次的探究性实验，让我在思考问题更能全面，更深入，