高中物理实验：电学黑箱问题

电学黑箱问题
1．如图所示为某同学组装完成的简易多用电表的内部结构示意图(1)
图中的B 端与(填“红表笔”或
“黑表笔”)相连接；
(2)某小组同学们发现欧姆表的表盘刻度线不均
匀，分析在同一个挡位下通过待测电阻的电流I
和它的阻值R x 关系，他们分别画出了如图所示的几种图象，其中可
能正确的是(填选项下面的字母)
(3)现有部分电路装在一个小盒子里，它与盒外的接线柱A、B、C、D 相连.若该部分电路仅由两个组值均为R 的电阻连接而成，且两个接线柱之间最多只能接一个元件。

现将多用电表选择开关旋至欧姆档，测得A、B 间电阻为R，B、C 间的电阻为2R；用导
线将C、D 连接后，测得A、B 间的电阻为0.5R。

请
在方框中画出盒子内这两个电阻的连接图。

(4)若该欧姆表使用一段时间后，内部电源电动势变小，内阻变大，
但此表仍能调零，按正确使用方法测量某电阻阻值，则测得的阻值应(填“大于”、“小于”或“等于”)电阻的真实值。

R + R E R 【答案】黑表笔 AC 大于
【解析】(1)由图示可知，图中B 端与欧姆表内置电源正极相连，B 端应是黑表笔；
(2) 当欧姆表使用时，根据闭合电路欧姆定律则有I =
E ，化为
内 x 1 = R 内 + R x ，根据关系式可得图像可能为 AC ；
I E E
(3) 将多用电表选择开关旋至欧姆档，测得A 、B 间电阻为 R ，B 、C 间的电阻为 2R ；用导线将 C 、D 连接后，测
得A 、B 间的电阻为0.5R ；若该部分电路仅由
两个组织均为R 的电阻连接而成，B 、C 间
由两电阻串联；A 、B 间只有一个电阻，若用
导线将C 、D 连接后，A 、B 间由两电阻并联；所以电路图为
(4) 当电池电动势变小，内阻变大时，欧姆得重新调零，由于满偏电
流 I g 不变，由公式： I g =
，欧姆表内阻 R 内得调小，待测电阻的 内
I = 测量值是通过电流表的示数体现出来的，由
E R 内 + R x = I g 1+ R x R 内 ，可知
当R 内 变小时，I 变小，指针跟原来的位置相比偏左了，故欧姆表的示
数变大了，测得的阻值应大于电阻的真实值；
2．(1)多用电表是实验室和生产实际中常用的仪器.使用多用电表进行了两次测量，指针所指的位置分别如图 1 中 a 、b 所示.若选择开关处在“×10 Ω”的欧姆挡时指针位于a ，则被测电阻的阻值是 Ω.若选
择开关处在“直流电压2.5 V”挡时指针位于b，则被测电压是v
(2)如下图甲所示为一黑箱装置，盒内有电源、电阻等元件，a、b 为黑箱的两个输出端.
①为了探测黑箱，某同学进行了以下几步测量：
A．用多用电表的欧姆挡测量a、b 间的电阻；
B．用多用电表的电压挡测量a、b 间的输出电压；
C．用多用电表的电流挡测量a、b 间的输出电流.
你认为以上测量中不妥的有：(填序号).
②含有电源的黑箱相当于一个“等效电源”，a、b 是等效电源的两极. 为了测定这个等效电源的电动势和内阻，该同学设计了如图乙所示的电路，调节变阻器的阻值，记录下电压表和电流表的示数，并在方格纸上建立了U-I 坐标，根据实验数据画出了坐标点，如图丙所示.请
你做进一步处理，并由图求出等效电源的电动势
E＝V，内阻r＝Ω.
③由于电压表和电流表的内阻会产生系统误差，则采用此测量电路所测得的电动势与实际值相比，测得的内阻与实际值相比
(选填“偏大”“偏小”或“相同”).
【答案】（1）500；2.00；（2）①AC；②1.45（±0.02）；0.73（±0.02）；
③偏小；偏小．
【解析】（1）欧姆挡的读数方法是指针读数即最上面刻度盘示数乘以倍率即5u × 1ufi = 5uufi。

“直流电压2.5 V”挡读数时以中间刻度盘为准，中间刻度盘共计50 格，每一格代表2.5v = u.u5v 指针指在第
5u
10 格，所以最终读数为u.u5v × 1u = u.5uv，估读一位。

（2）①欧姆档测电阻时，多用表内部有电源，需要把外电路电源断开，在不清楚a、b 间是否与外电源断开情况下冒然测电阻不妥，测电流时多用表要串联在电路中，黑箱内部电路情况不明，不能保证是与
a、b 串联，故AC 不妥。

②观察电路图可知，电压表和电流表
测量的是路端电压和干路电流，那么
丙图的数据描点作图即路端电压随电
流变化的关系图像，该图像与纵轴交
点即等效电源电动势 1.45v，斜率
代表内电阻，r = u.h5 = u.75fi
u.h
③分析电路发现，电压表测量的确实是路端电压，但电流表测量的电
流偏小，没有计算电压表分流，所以
有误差。

当电压表不分流时即电压表
示数等于0 时数据是准确的，其他的
数据均是电流偏小，对图像校正后如
下，可见与纵轴截距即电动势小于真
实值，斜率即内阻也小于真实值。

3．(1)小明同学分别将黑箱接线柱AB、BC、CD 接入甲电路中，闭合开关S，计算机显示出电流传感器的输出电流随时间变化的图像分别如a、b、c 所示，则(选填：AB、BC、CD)间接入的是定值电阻。

(2)小聪同学为了进一步精确测量黑箱内定值电阻的阻值，设计了如
图丙所示的电路，其中：
A 是电流表(量程为0.20mA，内阻约为100Ω)
R 是电阻箱(阻值范围0~999.9Ω)
R1是滑动变阻器
R2是保护电阻
E 是直流电源(电动势4V，内阻不计)
单刀单掷开关 2 只
导线若干
①调节电阻箱，使电阻箱接入电路中的阻值为90.7Ω，只闭合S1，调节滑动变阻器，电流表读数为0.15mA；然后保持滑动变阻器的滑片位置不动，再闭合S2，调节电阻箱，当电阻箱的阻值为186.3Ω时，电流表的读数仍为0.15mA，则黑箱内定值电阻的阻值为Ω。

②上述实验中，无论怎样调节滑动变阻器的滑片，都要保证电路安全，
则在下面提供的四个电阻中，保护电阻R 应选用(选填答案编号)
A．200kΩB．20kΩC．10kΩD．20Ω
③下面提供最大阻值不同的四个滑动变阻器供选用，既要满足上述实验要求，又要调整方便，滑动变阻器是最佳选择(选填答案编号)。

A．1kΩB．5kΩC．10kΩD．35kΩ
【答案】CD 95.6 B C
【解析】（1）由图a 看出,a 接入电路时有瞬间的电流,电容器充电过程有短暂的电流,电路稳定后电路中没有电流.说明AB 间是电容器.由b 图看出,此元件接入电路时,电流逐渐增大,是因为线圈中产生自感电动势的阻碍作用,电流只能逐渐增大,说明BC 间是电感线圈.从c 图看出,此元件接入电路时电流恒定不变,说明CD 之间是定值电阻.
（2）①由题意可知，前后两次电流没有变化，说明回路中的总电阻
18h.࢞— 9u.7 = 95.hfi
=
不变，所以R࢞
②无论怎样调节滑动变阻器的滑片，都要保证电路安全，所以当滑动变阻器的电阻等于零时，此时回路中的电流不会超过电流表的量程，
—࢞ 由电路结构可知：R = E =
h = 2ukfi
故选B I u.2×1u —࢞ ③根据电流表的读数 0.15mA 可知回路中的电阻为 R = h = u.15×1u 2h.7kfi ，而保护电阻的阻值为 2ukfi ,所以滑动变阻器选 1ukfi 的比较合理，故选C。