电学黑箱

电学黑箱

摘要

黑箱问题在物理教学中是一个难点．如果学生掌握黑箱类问题的基本规律和解题思路，那么，许多学生也就不会谈黑箱而色变了．相反，平时如果能多进行一些电路设计及黑箱问题的讨论，一定会有许多学生会偏爱上黑箱问题，激发学生学习电学知识的兴趣。黑箱问题对于培养学生分析问题、逻辑推理以及运用所学知识解决实际问题的能力都大有好处。

关键词

黑箱、万用表、电阻、二极管、电解质电容、陶瓷电容、电源、断路

正文

黑箱问题是指对某一未知系统(黑箱)，在不打开和不损坏其结构的情况下，通过实验来研究其内部结构的问题。研究黑箱问题对物理学的学习和探究意义十分重大。黑箱的探测方法有很多，如分析、综合、假设等。探测的工具一般都是使用万用表，有时也可以使外接电源、电阻、滑动变阻器、灯泡、导线等。电学“黑箱”问题的探测是复杂的、灵活的，解决此问题要从各元件的基本特点和测量原理人手，如果不知各元件的特点和测量原理，盲目地讲方法，将会变成无源之水，无本之木。

1 电学黑箱问题的分类

“电学黑箱”种类很多，没有统一的分类标准，根据不同的分类方法，可分三端型和多端型，有源(黑箱内有电源)型和无源型，纯电阻型和混合型。

2 各元件的特点及测量原理

1）电阻

有双向导电性，导电时的阻值与电流方向无关。

用万用表的欧姆档测量，正反两面测量，所得到的示数为常数，也就是欧姆表测电阻时，不管红黑表笔怎样与电阻连接，测量值是相同的

2）电容器

电解质电容有分正负极。充了电，则是有源元件，没有充电，则是无源元件，有充放电特性，通交流隔直流，通高频阻低频。

首先用欧姆表测量元件的两端，示数为无穷大，这个过程相当于给电容器充电。然后再用万用表的电压档反接在电容两端（电压表正偏），电压表有示数，并且慢慢地偏向零示数，这个过程为放电过程。由此可以判断电容器。即欧姆表两表笔与电容刚连接时，电表指针大角度偏转，转向电流大、电阻示数小的一方，然后又慢慢返回，最后停在电流为0、电阻示数无穷大的位置。

3）二极管

具有单向导电性，正向通电时电阻很小，反向通电时电阻很大。

4）断路

用万用表的欧姆档测量，正反两面都是无穷大。

5）电源

有源元件，能提供电能。用电压档测量各个接线柱，电压最大的地方为电源所在的电路

3 判断电学黑箱的电子元件

判定箱内的电子元件，显然，这属于探索性试验。具体方法如下：首先用多用表的直流电压档判断箱内有无电池。即用电压档检测各接线柱之间的电压：若有U≠0，则含电池；若均U一0，则不含电池。为防止电源电动势太大损坏电表，先将电压档放在较高量程，然后再改变到指针偏转大小合适的档。然后，用欧姆档判断元件的性质。即用欧姆档检测电压为零的接线柱间的电阻情况。

1)R一0，则为短路。

2)用欧姆档测两个接线柱间的电阻，并将两表笔调换位置再测，若阻值相差很大，则说明有二极管。

3)用欧姆档测两个接线柱间电阻时，显示无穷大，再用电压档反接两个接线柱，如果有示数并且电表有大幅度偏转，而且慢慢地返回。（放电现象）则此接线柱之间的元件为电容。如果没有放电现象为断路。

4)用欧姆档测量，正反接均为同一个常数，说明此接线柱之间为电阻。

4、判断电学黑箱内元件流程图。

5 万用表测量电学“黑箱”

1）为了保护元件，首先要确定黑箱中是否含有电源，用电压表依次接到ＡＢ、ＢＣ、ＣＡ端。ＡＢ端有示数为Ｕ１，ＢＣ端有示数为Ｕ２，ＣＡ端无示数。为了防止指针损坏，首先要以比较快的速度试接。得到Ｕ１＜Ｕ２，由此可以得到电源在ＢＣ端，由AC两端的电压为零可以知道AC间没有元件。推测ＡＢ为一个电阻。电路如图１所示。

２）为了保护元件，首先要确定黑箱内是否含有电源，用电压表依次接到ＡＢ、ＢＣ、ＣＡ端。ＡＢ端有示数为Ｕ１，ＢＣ端有示数为Ｕ２，ＣＡ端有示数Ｕ3，发现Ｕ2最大，说明电源在BC 端，AB 和ＣＡ端可能为电阻或者是二极管。将电源断开。用欧姆档分别测量ＡＢ和ＣＡ两端的电阻，正反两边都测量。发现ＡＢ两端为常数，所以可以知道ＡＢ之间为电阻。ＡＣ正反两面测量为两个不同的值，所以可以推测ＡＣ之间为一个二极管。

３）大黑箱的１号黑箱

首先用万用表的电压档分别测量ＡＢ、ＢＣ、ＣＡ两端，发现均无示数，说明黑箱内没有电源。再用欧姆档分别测量ＡＢ两端的电阻为：１.９×１０＾５Ω。反接示数没有变化，可以推测AB 之间的元件为电阻。ＢＣ端的电阻为０正反接均为０，所以可以推测ＢＣ之间为一导线。ＡＣ之间的电阻为１.９×１０＾５Ω。根据所测得的数据，可以推测大黑箱的１号黑箱的电路如图二所示

图１

图二

４）大黑箱２号黑箱

首先用万用表的电压档分别测量ＡＢ、ＢＣ、ＣＡ两端，发现均无示数，说明黑箱内没有电源。再用欧姆档分别测量ＡＢ两端的电阻为：６.６×１０＾３Ω，反接电阻变得非常大，所以推测AB两端为一个二极管。测得AC两端正反接的电阻均为１.９×１０＾５Ω，所以推测AC两端为一个电阻。测量BC两端的电阻为无穷大，初步断定BC之间为断路或者存在一个电容。首先用欧姆档接在BC两端，再用电压档接，发现指针有较大偏转，然后慢慢地返回。说明BC两端为一个电容，而且是一个电解质电容。如果为断路的话，电压表无示数。如图为大黑箱二号黑箱的电路图。

5)大黑箱3号黑箱

首先还是先判断黑箱内是否有电源，步骤相同。发现黑箱内并无电源，再用欧姆档测量。各个接口直接的电阻。发现AB端的正反电阻均为2×１０＾５Ω。可以判断AB直接为一个电阻。BC、AC两端正反两端接均为无穷大，而且没有充放电现象。也就是用电压档测量时也无示数，说明BC、AC直接断路。电路如图三所示。

图三

6）大黑箱4号黑箱

首先还是先判断黑箱内是否有电源，步骤相同。发现黑箱内并无电源，再用欧姆档测量。发现ＡＢ、ＢＣ、ＣＤ间均为无穷大。初步判断电路均为断路或者存在电容器。先用欧姆档接在AB两个充电，再用电压档接在ＡＢ上，发现指针有较大的偏转，然后慢慢地返回。可以判断ＡＢ上是一个电解质电容。在ＡＣ上重复以上操作得到同样的结果，也就是ＡＣ上也是一个电解质电容。把欧姆档接在ＢＣ上，然后用电压档接在ＢＣ上，指针在零点处抖动了一下，可以判断ＢＣ上的是一个陶瓷电容。电路如图所示。

６、总结

解决黑箱问题，首先必须得了解每个元件的特性。然后对线路进行测量，根据测量的结果进行推测，反复验证，才可以得出正确地了解电路的。明确输入和输出信息之间的因果关系，通过对实验结果的分析和推断，可得相应的猜想；再通过对猜想的不断修正和筛选，使猜想逐步向黑箱的内部结构接近，最终达到猜想和黑箱同构．对于电学黑箱，根据电子元件的特性及检测仪表的使用条件，结合检测结果，进行重新验证。