实验16用多用表探索黑箱内的电学元件

实验十六：用多用表探索黑箱内的电学元件
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1、实验目的：
(1)掌握多用电表的功能及使用常识；
(2)练习用多用电表探测黑箱内的电学元件；
(3)了解晶体二极管的单向导电性及其符号；
(4)培养学生思维的灵活性及逻辑推理能力。

2、实验原理：
(1)多用电表的使用见第二章实验器材的多用表部分。

(2)二极管的特性
检测黑箱内的二极管是利用二极管的特性是单向导电性。

当二极管加上一定的正向电压时，它的电阻值很小；当二极管加上反向电压时，它的电阻值变得很大，就象断开的开关一样，据此判断二极管的位置及接法。

3、实验器材
多用电表、电阻、二极管、黑箱子．
4、实验步骤
(1)用多用电表测电阻
①测量前先检查表针是否停在左端“0”位置，如没停在零位胃，用小螺丝刀转动表盘下边的调整定位螺钉．
②将红表笔和黑表笔分别插入“正”、“负”测试笔插孔．
③将选择开关旋转到与测量电阻相应的量程上．
④把两表笔接触，调整欧姆挡调零旋钮，使指针指正电阻刻度的零位置上．
⑤把两只表笔分别接在待测电阻的两端，进行测量，从电阻刻度上读出读数，再乘以量程的倍率，即为待测电阻的阻值．
⑥测量完毕，将选择开关置于“为OFF”处，如无此挡，则应置于交流电压最高挡．
(2)用多用电表探测黑箱子内的电学元件
①首先用多用电表电压挡探测黑箱子是否有电源．
②如果有电源，则用多用电表的电压挡探测黑箱子外任意两接点间的电压，根据电压关系判定黑箱内电源的位置及各接点电阻关系，从而分析出黑箱内各元件的连接情况．
③如果没有电源，则直接用多用电表的欧姆挡测量任意两点间的电阻值，根据所测量的电阻值，分析任意两点间各是什么元件及其连接情况．
5、数据处理
由于多用表内部的电源的电动势及内阻在使用过程中都不准确，加之多用电表的表
盘的刻度的不均匀，实验测得的电阻值是粗略的，不能作为精确计算的依据。

6、注意事项
(1)多用电表在使用前，应观察指针是否指电表的零刻度，如果有偏差，调节定位螺丝，使指针指到零刻度．
(2)测电阻时，待测电阻要跟别的元件和电源断开，不能用手接触表笔的金属杆。

(3)合理选择欧姆挡的量程，应使用指针尽量指在表盘中间位置附近．
(4)换用欧姆挡的另一量程后，—定要重新进行电阻调零，然后再进行测量。

(5)读数时，应将表针示数乘以选择开关所指的倍数．
(6)测量完毕，要把表笔从测试孔中拔出，选择开关应置于“OFF”挡或交流电压最高挡，如果长期不用多用电表，还应该把电池取出．
7、误差分析
由于本实验中电阻的测量是粗略的，其测量结果往往作为定性分析的依据，其误差分析不是本实验所要求完成的任务。

但必须注意到，当指针偏离中间位置较远时，误差会更大。

【试题解析】
例1 在如图1所示电路的三根导线中，有—根是断的，电
源、电阻R1、R2及另外两根导线都是好的．为了查出断开导线，
某学生想先将多用表的红表笔连接在电源的正极a，再将黑表笔分
别连接在电阻器R1的b端和R2的c端，并观察多用电表的示数．在
下列选挡中，符合操作规程的是( )
A．直流10V挡B．直流挡C．直流挡D．欧姆挡
解析首先不能用欧姆挡，因为根据题干所给的条件，这种查线方法中有电源，根据操作规程，欧姆挡不允许用来进行有源操作．故选项D是错误的．用直流电压挡；如用黑表笔连接b点上时，多用电表有电流通过，则表示连接电池与R2和连接R2与R1的两根导线都是好的，因而只可能是连接电池与R1的那根导线是断的．如果将黑表笔连接b点时，多用电表指示没有电流，则表示连接电池与R2和连接R2与R1的两根导线中有一根是断的，那么连接电池与R1的那根导线一定是好的．在此判断基础上，再把黑表笔连接在c点，如果此时电表指示有电流通过，则可判断出连接电池与R2的那根导线是好的，那么连接R2与R1的那根导线一定是坏的；
同理，若把黑表笔接在c点，电表指示没有电流，则结果与上述判断相反，再看电流挡的量程问题，如果连接R2与R1的那根导线是坏的，则必须要把黑表笔连到c点来进行判断，根据题目中所给数据，此时通过多用电表的电流超过，如果采用直流挡就可能损坏多用电表，故选项B错．
用直流电压挡：如用黑表笔连接在b点时，多用电表指示有电压，则表示连接电池与R1的那根导线是坏的，另外两根是好的．如果将黑表笔连接在b点时电表指示无电压，则连接电池与R1的那根导线是好的，另外两根有一根是坏的，在此基础上，再把黑表笔
连接到c 点．如果电压表有示数，则连接电池与R 2的导线是好的，剩下一根是坏的；如果黑表笔连接c 点时电压表无示数，则连接电池与R 2的那根导线是坏的．再看电压挡的量程，根据题目中的数据，多用电表所测电压应接近6V ，超过了直流的量程，而在直流10V 挡的量程之内，故应选择A 答案，而不选择C ．
例2 如图2所示，一只黑箱有A 、B 、C 三个
接线柱，规定每两个接线柱间最多只能接一个电器
元件．并且已知黑箱内的电器元件是一只电阻和一
只二极管．某同学利用多用电表的欧姆挡，用正确
的操作方法依次进行了6次测量，将每次红、黑表
笔的位置和测得的阻值都填入了下表．
红表笔接
A A
B B
C C 黑表笔接
B C A C A B 测得阻值(Ω) 100 10k 100 90 190
由表中的数据可以判定：(1)电阻接在 两点间，阻值为 Ω．(2)二极管接在 两点间，其中正极接在 点．(3)二极管的正向阻值为 Ω，反向阻值为 Ω．
解析 (1)电阻与电流方向无关，所以A 、B 间为电阻，阻值为100Ω．(2)阻值最大的是电流从B 到C 的时候，这个电阻值一定是二极管的反向电阻．而且二极管一定在A 、C 间，又因为用欧姆表时，电流从黑表笔流出，红表笔流入，所以A 、C 间电阻小的时侯黑表笔接的是正极，即A 为正极．(3)二极管正向电阻90Ω，反向电阻10k Ω．
【实验拓展】
1．学科内知识的综合
例3 电阻R 1，R 2，R 3连结成图3所示的电路，放在一个
箱中(虚框所示)，箱面上有三个接线柱A 、B 、C 。

请用多用表和
导线设计一个实验，通过在A 、B 、C 的测量，确定各个电阻的
阻值。

要求写出实验步骤并用所测值表示电阻R 1、R 2、R 3。

解析 方法一：比较灵活地用导线短接电路进行测量。

实
验步骤如下：
①用导线连结BC ，测出A 、B 两点间的电阻值x ；
②用导线连结AB ，测出B 、C 两点间的电阻值y ；
③用导线连结AC ，测出B 、C 两点间的电阻值z 。

则有：x 1=11R +2
1R ……① y 1=21R +31R ……② z 1=11R +31R ……③ 联立①、②两式得:x 1-y 1=11R -3
1R ………④
联立③、④两式得，R 1 = xz yz xy xyz -+2 同理可解得，R 2=xy yz xz xyz -+2，R 3=yz
xz xy xyz -+2 方法二：不用导线短接，直接测量，实验如下：
①测出A 、B 两点间的电阻值x ；
②测出B 、C 两点间的电阻值y ；
③测出A 、C 两点间的电阻值z ；
则有x 1=11R +3
21R R +……① y 1=21R +311R R +……② z 1=31R +211R R +……③ 解得：R 1=
x)z (y -+21［2(xy +yz +xz )-x 2-y 2-z 2］ R 2=
y)z (x -+21［2(xy +yz +xz )-x 2-y 2-z 2］ R 3=z)
y (x -+21［2(xy +yz +xz )-x 2-y 2-z 2］
2．用其它器材探索黑箱内的电学元件
例4 如图4 (a)所示，A 、B 、C 、D 为一个电学黑箱
的四个接线柱．已知A 、B 间没有直接接人任何电学元件，
A 、C 间、C 、D 间和
B 、D 间分别接入一个电学元件．
某同学用一只多用电表和一个连接着灯泡的学生电源，
如图4 (b)，分别对黑箱进行如下操作：
①用多用电表的直流电压挡测量A 、B 、C 、D 任意两点之间均无电压．
②用多用电表的欧姆挡对A 、C 接线柱进行正、反向测试，发现欧姆表的指针均先偏向“0Ω”端，再返回来退到“∞”端，且越退越慢；C 、D 间的正、反电电阻相同且都很小；B 、D 间的正向电阻很小，而反向电阻却很大．
③将图4(b)中的学生电源拨到直流挡，H 接正极，F 接负极．将E 、F 分别接B 、D 时，灯正常发光；E 、F 分别接D 、B 时，灯不亮．将E 、F 分别接C 、D 和D 、C 时，都能看到灯是逐渐亮起来．将E 、F 接A 、C 和C 、A 时，灯均不亮．
请你根据以上叙述．在图4(a)中画出黑箱中的电路．
解析 (1)“用多用电表的直流电压挡测量A 、B 、C 、D 任意两点之间均无电压”，说明箱内无电源．“用多用电表的欧姆挡对A 、C 接线柱进行正、反向测试，发现欧姆表的指针均先偏向‘0Ω’端，再返回来退到‘∞’端，且越退越慢”，说明A 、C 接线柱间接有一电容器，因为电容充电时的电阻很小，而达到稳定时相当于断路，其电阻为∞．
(2)③中“将图(b)中的学生电源拨到直流挡，H 接正极，F 接负极．将E 、F 分别接B 、D 时，灯正常发光；E 、F 分别接D 、B 时，灯不亮”，说明B 、D 间接有一二极管，且B 端接二极管正极．“将E 、F 分别接C 、D 和D 、C 时，都能看到灯是逐渐亮起来”，说明
C 、
D 间接的是一电感线圈，因电感在接通的一瞬间，将产生一阻碍电流变化的电动势，
使得电流逐渐增大．“将E、F接A、C和C、A时，灯均不亮”，
进一步证实A、C接线柱间接的是一电容器．
综上所述，图4 (a)中的电路如图5所示。

3．数字式多用电表的使用
例4 数字式万
用表如图6(a)，是近些
年来发展起来的高科
技数码产品，是传统
的机械指针式仪表的
更新换代产品，数字
表有很多独特的优
点，具体表现在：
测量精度高，以型号为“DF930”普通数字表为例，直流电压和直流电流挡的测量精度为±％，欧姆挡精度为±％，而常用指针式电压表电流表精度只有土％，欧姆挡的精度更低．数字表内电阻非常理想，数字表“DF930”的电压挡所有量程内阻高达10MΩ，而机械指针式电压表内阻一般为几千欧到几十千欧，内电阻高出了2～3个数量级．今有一块数字万用表“DF930'’、一只滑动变阻器(0～30Ω)、两只开关、导线若干．利用这些器材，尽量采用简单的方法，测量一节干电池的电动势和内电阻，要求分两步测量，首先测量电动势，待电动势测得之后再测其内电阻．
(1)连接万用表．在图6 (b)中电路中的各个元器件已经连接妥当，数字万用表的一个表笔也已经跟电路相连，请将另一只表笔正确的接入电路：
(2)操作步骤：
①将万用表选择开关置于挡，选择合适的量程，断开开关，闭合开关，记录表的示数，反复测量多次，示数的平均值记为X．
②将万用表选择开关置于挡，选择合适的量程，断开开关，闭合开关，记录表的示数，设它为Y，紧接着进行下面的操作：将万用表选择开关置于挡，选择合适的量程，将开关S1与S2都闭合，记录表的示数，设它为Z，把Y和对应的Z作为一组数据记录下来，反复测量多次得到多组数据．
③即为干电池的电动势．(填“X”、“Y”或“Z”)
④内电阻的表达式r= (用X、Y、Z表示)，将步骤②测得的多组数据代入公式，求出r的平均值，即为干电池内电阻的值．
解析本例为一道信息实验题，实验目的即要测量电池的电动势和内电阻．很容易把人引到我们熟知的教材的万用表实验和测量电池的电动势和内电阻实验上去．实际上只要仔细审题，从长长的题干中，挖掘出两个关键信息：此万用表“测量精度高”、“内电阻非常理想”．其意为此万用表作为电压表、电流表、欧姆表使用时，均可看作理想表．那么，将其接到电池两端即可测量电池的电动势，将其接到电阻两端即可测量电阻．问题也就迎刃而解．
根据闭合电路欧姆定律：I =r
R E +，把万用表接到电池两端即可测量电池的电动势E (X )，故(1)的答案为：将另一只表笔接到b 或c 。

(2)中①的答案依次为：电压；S 1；S 2；再测出外电阻R (Y )，电路电流I (Y
Z )，代入公式即可求得内电阻r 。

故②的答案依次为：欧姆；S 2；S 1；电压．③的答案为：X ．④的答案为
Z Z X -。

【考点训练】
1．关于多用电表表面的刻度线，下列说法中错误的是 ( )
A ．直流电流刻度线和直流电压刻度线都是均匀的，可以共用同一刻度线
B ．电阻刻度是不均匀的
C ．交流电压刻度线是均匀的
D ．电阻刻度上的零刻度线与直流电流最大刻度线相对应
2．使用中值电阻为25Ω(×1档)的多用电表测量两个定值电阻(阻值约为R 1=20Ω和R 2=30k Ω)，在下列一系列操作中，选出尽可能准确地测量各阻值，并符合多用电表使用规则的各项操作，按合理的顺序填写在横线的空白处：
A ．转动选择开关置于“×1k ”挡
B ．转动选择开关置于“×100”挡
C ．转动选择开关置于“×10”挡
D ．转动选择开关置于“×1”挡
E ．转动选择开关置于“OF
F ”挡
F ．将两表笔分别接触R 1两端，读出R 1的阻值后随即断开
G ．将两表笔分别接触R 2两端，读出R 2的阻值后随好断开
U ．将两表笔短接，调节调零旋钮，使指针指在刻度线右端的零刻度
所选操作的合理顺序是 。

3．欧姆调零后，用“×10”挡测量一个电阻的阻值，发现表针偏转角度极小，正确的判断和做法是 ( )
A ．这个电阻值很小
B ．这个电阻值很大
C ．为了把电阻测得更准—些，应换用“×100挡，重新欧姆调零后进行测量
D ．为了把电阻测得更准—些，应换用“×1”挡，重新欧姆调零后进行测量
4．把一量程6mA ，内阻60Ω的电流表改装为欧姆表，如
图7所示已知电源E =，变阻器R 为0～200Ω，则黑表笔应接
图中的 端原电流表刻度2mA 处，改为电阻刻度值应
为 Ω，若电池用久了，其电动势减小且内阻增大，
但仍可调零，则测量值与真实值相比 。

(填“偏大”
“偏小”“相等”)
5．如果收音机不能正常工作，需要判断干电池是否已经报废，可取出一节干电池用多用表来测量它的电动势，下列步骤中正确的是( )
①把多用表的选择开关置于交流500V挡或置于“OFF”挡
②把多用表的红表笔和干电池的负极接触，黑表笔与正极接触
③把多用表的红表笔和干电池的正极接触，黑表笔与负极接触
④在表盘上读出电压值
⑤把多用表的选择开关置于直流25V挡
⑥把多用表的选择开关置于直流5V挡
A．⑤③④①B．②⑤①④
C．⑥③④①D．⑥②④①
6．根据试题要求填空或作图．
(1)图8(a)为多用电表的示意图，其中S、K、T为三个可调节的部件，现用此电表测量一阻值约为20～30Ω的定值电阻，测量的某些操作步骤如下：
①调节可调部件，使电表指针停在位置；
②调节可调部件
K，使它的尖端指向
位置；
③将红、黑表笔分
别插人“+”、“-”插孔，
笔尖相互接触，调节可
调部件，使电表
指针指向位置．
(2)在用多用表测量
另一电阻的阻值时，电表的读数如图8 (b)所示，该电阻的阻值为Ω．
(3)现用伏安法测量(1)问中的那个定值电阻R x的阻值(约为20～30Ω)．所供器材如下：
电压表V(量程0～15V，内阻20kΩ)
电流表A1(量程0～50mA，内阻20Ω)
电流表A2(量程0～30mA，内阻4Ω)
滑动变阻器及(最大阻值为50Ω，额定电流为1A)
直流电源E(电动势约9V，内阻约Ω)，电键S，连线用的导线若干根．
在以上器材中选出适当的器材，画出电路图，要求在图上标出所选器材的符号．
(4)该电阻是由电阻丝绕成的，为了求得该电阻线材料的电阻率，需用螺旋测微器测量电阻丝的直径，结果如图8 (c)，其读数为．
7．一盒子里装有由导线和几个阻值相同的电阻组成的电
路，盒外有四个接线柱A、B、C、D．如图8所示，已知A与B
间电阻是B与C间电阻的倍，是B与D间电阻的3倍，而C与
D间电阻为零，试在图小画出盒内电路，要求所用电阻数最小．
8．黑盒里有一个电源和五个阻值相同的电阻组成的闭合电路，A、B、C、D是四个接线柱，如图10所示，用电压表测量结果如下：U AB=4V；U AC= 7V；U CD=2V；U BD=1V．试
画出盒内的电路．
9．用多用电表欧姆挡(×100)测试三只二极管，其结果依次
如图11中甲、乙、丙所示，由图可知，图中的二极管
是好的，该二极管的正极是端．
10．黑箱上有三个接线柱A、B、C如图12所示．已知里面装的元件只有两个(可能是电池、电阻或二极管)，并且两个接线柱间最多只接一个元件，现测量结果如下：
①用直流电压挡测量，A、B、C三点均无电压
②用欧姆挡测量，A、C间正、反接阻值不变．
③用欧姆挡测量，黑表笔接A点，红表笔接B点，有阻值，反接
阻值较大．
④用欧姆挡测量，黑表笔接C点，红表笔接B点，有阻值，阻值
比第⑦步测得的大；反接阻值很大．
画出箱内两个元件的接法．
【答案与提示】
1．C
2．D、H、F、A、H、G、E
3．BC
4．M 500 偏大
5．C
6．(1)①S 左端的“0”②欧姆挡的×1 ③T 右端的“0”(2)
(3)如图13所示(4)
7．如图14所示
8．如图15所示
9．乙 a 10．如图16所示。