一個(gè)典型的電學(xué)“黑盒子”實(shí)驗(yàn)的分析與研究

蔣明燦

（遵義市第四中學(xué)，貴州 遵義 563000）

“黑盒子”實(shí)驗(yàn)題是國(guó)際物理奧林匹克競(jìng)賽常見(jiàn)實(shí)驗(yàn)試題。本文提供了一個(gè)最常見(jiàn)的電學(xué)“黑盒子”實(shí)驗(yàn)題，雖然連線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但因電學(xué)元件性質(zhì)不同，其解題方法，難度差別較大。以下對(duì)這一“黑盒子”實(shí)驗(yàn)題進(jìn)行分析與研究，以供物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)或物理競(jìng)賽培訓(xùn)作為參考。

一、試題和解法

題目：給定一個(gè)“黑盒子”，內(nèi)有三個(gè)未知電學(xué)元件z1、z2、z3，接法如圖1所示，只有三個(gè)腳露在盒外，屬電學(xué)元件星形連接方式。

圖1 黑盒子示意圖

試題1：用指針式多用表判斷黑盒子中的3個(gè)電學(xué)元件，它們分別可能為一個(gè)電阻、一個(gè)電容、一個(gè)二極管。若是二極管，說(shuō)出其露出端是正極還是負(fù)極。

解題方法

（1）用多用表電阻檔判斷電阻。

若交換表紅黑棒前后兩次所測(cè)阻值相同，則該元件為電阻。

（2）用多用表電阻檔判斷有無(wú)二極管。

若有，則交換表棒前后兩次所測(cè)電阻相差很大（二極管反向電阻遠(yuǎn)大于其正向電阻）。

（3）用多用表電阻檔判斷有無(wú)電容。

若測(cè)出是斷路，但有充放電現(xiàn)象，即指針有一定偏轉(zhuǎn)后再回到“∞”，則為電容。

圖2 測(cè)試電路

（4）區(qū)別電阻與電感（需使用信號(hào)發(fā)生器）。

它們的區(qū)別在于通過(guò)頻率可調(diào)的交流電時(shí)，電阻元件的阻值不變而電感元件的感抗（ZL=ωL）隨交流頻率的改變而變化。

（5）將多用表與待測(cè)元件組成一個(gè)測(cè)試電路，如圖2所示。圖中i、j表示所測(cè)元件腳標(biāo)。

測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試題1電子元件測(cè)試結(jié)果

由表1結(jié)論與分析可推斷元件Z1為二極管D，元件Z2、Z3分別為電容C和電阻R。由此，黑盒子內(nèi)三元件連接圖如圖3所示。

圖3 盒子內(nèi)元件連接圖

試題2：仍以上題的黑盒子為例，提供信號(hào)發(fā)生器、雙蹤示波器和電阻箱，要求判斷三元件。若有二極管判斷其正負(fù)極，若有電阻、電容等，要測(cè)出其電阻、電容的數(shù)值。

解題前的基本分析：

若提供信號(hào)發(fā)生器、示波器和電阻箱，對(duì)于單個(gè)待測(cè)電學(xué)元件x，可用圖4電路進(jìn)行檢測(cè)。設(shè)信號(hào)源輸出交流電壓振幅為Ao，頻率為f，表2列出了檢測(cè)結(jié)果。

本題的情況是無(wú)法檢測(cè)單個(gè)元件，而是兩個(gè)元件的串聯(lián)，因此比較復(fù)雜，參考解法如下：

圖4 基本分析的檢測(cè)電路

檢測(cè)1：電路如圖5所示，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器頻率f約為lkHz，電阻箱Ro取為lkΩ。若觀測(cè)到URO為單向脈波形電壓時(shí)，說(shuō)明Z1和Z2接點(diǎn)處為二極管負(fù)極。

檢測(cè)2：電路如圖6所示，Ro取lkΩ。Z1、Z3為二極管與電阻串聯(lián)。）URo

（如無(wú)半波整流，則串聯(lián)Z2、Z3進(jìn)行分析。）

圖5 檢測(cè)1電路圖

檢測(cè)結(jié)果圖像為上半周，則腳1或Z1、Z3接點(diǎn)處為二極管正極（檢測(cè)結(jié)果圖像為下半周，則該處為二極管負(fù)極）。

圖6 檢測(cè)2電路圖

結(jié)合檢測(cè)1，已可判斷Z1為二極管D，Z2為電容C，Z3為電阻RO，且1腳為二極管正極。

表2 試題2電子元件測(cè)試結(jié)果

檢測(cè)3：電路如圖7所示。Ro取為lkΩ。將Z2、Z3現(xiàn)RO串聯(lián)。

圖7 檢測(cè)3、4電路圖

保持信號(hào)源輸出電壓U不變，若f增加，電壓URo也增加，則說(shuō)Z2、Z3中一個(gè)是電容，一個(gè)是電阻；因?yàn)閒增加，則就增加。再結(jié)合檢測(cè)1或檢測(cè)2，亦可判斷Z1為二極管D，Z2為電容C，Z3為電阻R。

說(shuō)明：3次檢測(cè)中，一般只需其中2次，即可分清Z1、Z2、Z3。

至此，本題黑盒子內(nèi)三元已可判斷，Z1為二極管D，Z2為電容C，Z3為電阻R。

檢測(cè)4：目的是為了測(cè)出R的數(shù)值，電路仍如圖7。將頻率f取得大些，例如幾十kHZ（f不是取得越大越好，若取得太大，例如5MHZ，由于頻率過(guò)高，導(dǎo)線之間分布電容等會(huì)影響測(cè)量準(zhǔn)確性），以使很小，可忽略不計(jì)。

測(cè)得信號(hào)源電壓U及RO上電壓URo，

取信號(hào)源頻率f=20kHZ,

仍取Ro=lkΩ，由某黑盒子測(cè)得U=14.0V，URo=6.95V(Ut URo均為示波器屏上測(cè)得的峰峰值)，可求得待測(cè)電阻

圖8 檢測(cè)5電路圖

黑盒子內(nèi)電阻的標(biāo)稱值為lkΩ，由上述方法測(cè)得的結(jié)果已符合要求（由于忽略Zc及未考慮電源內(nèi)阻，測(cè)量不會(huì)很準(zhǔn)確。）

檢測(cè)5：目的是為了測(cè)出C的數(shù)值，電路如圖8所示。

實(shí)驗(yàn)中取Ro=lkΩ，f=lkHZ，測(cè)得U=14.1V，URo=6.9V

黑盒子內(nèi)電容的標(biāo)稱值為0.47uF，檢測(cè)結(jié)果亦符合要求。

二、結(jié)束語(yǔ)

用多用電表、電源、電阻箱、雙蹤示波器、信號(hào)發(fā)生器等基本的電學(xué)儀器檢測(cè)黑盒子中的元件及參數(shù)是在物理實(shí)驗(yàn)以及科學(xué)研究中常用的實(shí)驗(yàn)方法，在黑盒子實(shí)驗(yàn)中開(kāi)設(shè)綜合性、設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)更有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，這種實(shí)驗(yàn)?zāi)苁箤W(xué)生熟悉常用元件的特性及檢測(cè)方法，熟練使用檢測(cè)用的儀表，培養(yǎng)邏輯思維能力，提高分析、推理、判斷的能力。黑盒子電學(xué)實(shí)驗(yàn)啟發(fā)式、研究性的設(shè)計(jì)理念和思維方法可以推廣到其他類型的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中去，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，追求真理的科學(xué)精神及提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)分析能力和實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力都是非常有益的。

[1]呂斯驊，段家忯.全國(guó)中學(xué)生物理競(jìng)賽實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)[M].北京:北京大學(xué)出版社，2006.89-90.

[2]鄭永令，陸申龍.國(guó)際物理奧賽的培訓(xùn)與選拔[M].上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，2006.351-358.

[3]張真，徐航.電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)中綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)[J].遵義師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2006,（6）:64-65.

[4]劉彬生.測(cè)繪小燈泡的伏安特性曲線和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2001,（5）:33-35.