电学黑箱实验*

周锐华 陈 红 胡晓晖

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006)

周少娜

(华南师范大学物理学科基础课实验教学示范中心 广东 广州 510006)

1 引言

电学黑箱问题是指对某一含有多种未知电学元件的系统，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.黑箱的探测方法有分析法、综合法和假设法等多种方法，而探测的工具一般都是万用表，有时也可以使用外接电源、电阻、滑动变阻器、灯泡、导线等[1].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入手，因此需要了解各种电学元件的特性从而进行更加准确的测量.

2 实验原理

2.1 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，而实验室中经常见到的是直线型和三角型，如图1所示.

(a)直线型黑箱

(b)三角形黑箱

2.2 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.

用万用表的欧姆挡测量，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：电解质电容器分正负极.充电的电容器为有源元件，没有充电的电容器则是无源元件.电容器有充放电特性，通交流阻直流，通高频阻低频.

首先用欧姆表测量元件的两端，当两表笔分别接触电容器的两根引线时，表针首先朝顺时针方向(向右)摆动，然后又慢慢地向左回归至∞位置的附近，此过程为电容器的充电过程.再用万用表的电压挡反接在电容器两端(电压表正偏)，电压表有示数，并且指针慢慢地偏向零示数，这个过程为放电过程.由此可以判断该元件为电容器.关键的地方是当欧姆表两表笔与电容器刚连接时，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，最后停在电流为零、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：用万用表的欧姆挡测量，正反两面都是无穷大.

(5)电源：有源元件，能提供电能.用电压挡测量各个接线柱，电压最大的地方为电源所在的电路.

2.3 判断电学黑箱的电子元件

判定箱内的电子元件，显然，这属于探索性实验.具体方法如下：

首先用万用表的直流电压挡判断箱内有无电池.即用电压挡检测各接线柱之间的电压：若U≠0，则含电池；若U=0，则不含电池.为防止电源电动势太大损坏电表，先将电压挡放在较高量程，根据指针偏转大小再改变到合适的挡.

然后，用欧姆挡判断元件的性质.即用欧姆挡检测电压为零的接线柱间的电阻情况[2]：

(1)R趋向于零，则为短路.

(2)用欧姆挡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)用欧姆挡测两个接线柱间电阻时，显示无穷大，再用电压挡反接两个接线柱，如果有示数并且电表指针有大幅度偏转，而且慢慢地返回(放电现象),则此接线柱之间的元件为电容器.如果没有放电现象为断路.

(4)用欧姆挡测量，正反接均为同一个常数，说明此接线柱之间为电阻.

3 实验方法

3.1 使用万用表测量三角型黑箱

(1)首先对万用表进行机械调零，调至电压挡，将红黑表笔依次接入AB,BC,CA端，发现指针并无偏转，说明黑箱不含有源元件[3].然后把万用表调至欧姆挡，选择合适的挡位(实验中为保护万用表统一使用1 k量程，下面不再注释)，进行欧姆调零.之后将红黑表笔依次接入AB,BC,CA端，情况如下：

a.正向与反向接入AC端时均有示数3.1，由此判断出AC间为3.1 kΩ的电阻；

b.正向接入BC端时显示阻值为1.2 kΩ，反接时为无穷大，由此判断BC间为二极管，方向如图2(b)所示；

c.无论以正反向触碰CA端时指针均快速转到零的位置，说明CA间是一根导线.

电路如图2所示.

图2 三角形黑箱实例1

(2)首先对万用表进行机械调零，调至电压挡，将红黑表笔依次接入AB,BC,CA端，发现AB间有电压1.5 V，BC间有电压0.5 V，CA间有电压1.0 V，由此判断AB间有1.5 V的电源.然后把万用表调至欧姆挡，选择合适的挡位，进行欧姆调零.之后将红黑表笔依次接入BC和CA端，情况如下：

a.正向与反向接入BC端时均有示数5.0，由此判断出AC间为5 kΩ的电阻；

b.正向与反向接入CA端时显示阻值为10 kΩ，由此判断BC间为10 kΩ的电阻.

电路如图3所示.

图3 三角形黑箱实例2

3.2 使用万用表测量直线型黑箱

(1)首先对万用表进行机械调零，调至电压挡，将红黑表笔依次接入AB,BC,CA端，发现指针并无偏转，说明黑箱不含有源元件.然后把万用表调至欧姆挡，选择合适的挡位，进行欧姆调零.之后将红黑表笔依次接入AB,BC,CA端，情况如下：

a.正向与反向接入AC端时均有示数9.5，由此判断出AC间为9.5 kΩ的电阻；

b.以正反向触碰BC端时指针均快速转到零的位置，说明BC间是一根导线；

c.正向与反向接入CA端时显示阻值为9.5 kΩ.

电路图如图4所示.

图4 直线形黑箱实例1

(2)首先对万用表进行机械调零，调至电压挡，将红黑表笔依次接入AB,BC,CA端，发现指针并无偏转，说明黑箱不含有源元件.然后把万用表调至欧姆挡，选择合适的挡位，进行欧姆调零.之后将红黑表笔依次接入AB,BC,CA端，情况如下：

a.正向接入AB端时显示阻值为2.3 kΩ，反接时为无穷大，由此判断AB间为二极管，方向如图5(b)所示；

b.正向接入BC端时表针首先朝顺时针方向(向右)摆动，然后又慢慢地向左回归至∞位置的附近，初步判断为电容器，接着把万用表调至电压挡，反接在BC两端(电压表正偏)，电压表有示数，并且慢慢地偏向零，由此可以断定BC间为电容器;

c.以正反向接入CA端时指针均指向无穷大的位置.

电路如图5所示.

图5 直线形黑箱实例2

4 关于实验的讨论

4.1 对于电容的判断

用万用表检测电容器好坏时，我们可以根据表针的摆动情况，并结合与质量好的同样电容器对比，便可判断出电容器的好坏：用万用表的欧姆挡(R×10 k或R×1 k挡，视电容器的容量而定)，当两表笔分别接触容器的两根引线时，表针首先朝顺时针方向(向右)摆动，然后又慢慢地向左回归至∞位置的附近，此过程为电容器的充电过程.

如果表针不动，说明电容器内部断路；

如果表针摆动很小，说明电容器失效；

如果表针摆到零就不动，说明电容器内部短路或击穿；

如果表针摆到零偏转返回后停在一个较低的阻值上，说明电容器漏电阻较大；

如果表针摆到零偏转返回后停在一个较高或无穷大的阻值上，说明电容器质量好.

而对于电解电容器的极性判断一般可以通过直接观察来分析，新的电解电容器正极针脚长，在负极外表面标“-”(负)号；如果旧电解电容器已经剪齐两脚，并且外面模糊不清的时候也可以用万用表来判断，将万用表置R×1k挡，测量其漏电阻大小，然后对调表笔再测一次，比较两次测量结果，对漏电阻较大的一次，黑笔所接的一端即为电解电容器的正极，红表笔所接的一端为电解电容器的负极.

4.2 黑箱问题流程图

黑箱问题流程如图6所示.

图6 黑箱问题流程图

5 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，才可以得出正确的电路结构.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.

1 朱启洋. 黑箱在中学物理教学中的应用:[学位论文].南京:南京师范大学,2008

2 吕复田.电学黑箱题解题思维程序初探.中学物理教学参考,2008(9):54～56

3 赵舒泽,刘博,楼珍丽. 电路原理电学黑箱综合实验的拓展与开发. 实验科学与技术,2011,9(2):13～15