一个典型的电学“黑盒子”实验的分析与研究

蒋明灿

（遵义市第四中学，贵州 遵义 563000）

“黑盒子”实验题是国际物理奥林匹克竞赛常见实验试题。本文提供了一个最常见的电学“黑盒子”实验题，虽然连线结构简单，但因电学元件性质不同，其解题方法，难度差别较大。以下对这一“黑盒子”实验题进行分析与研究，以供物理实验教学或物理竞赛培训作为参考。

一、试题和解法

题目：给定一个“黑盒子”，内有三个未知电学元件z1、z2、z3，接法如图1所示，只有三个脚露在盒外，属电学元件星形连接方式。

图1 黑盒子示意图

试题1：用指针式多用表判断黑盒子中的3个电学元件，它们分别可能为一个电阻、一个电容、一个二极管。若是二极管，说出其露出端是正极还是负极。

解题方法

（1）用多用表电阻档判断电阻。

若交换表红黑棒前后两次所测阻值相同，则该元件为电阻。

（2）用多用表电阻档判断有无二极管。

若有，则交换表棒前后两次所测电阻相差很大（二极管反向电阻远大于其正向电阻）。

（3）用多用表电阻档判断有无电容。

若测出是断路，但有充放电现象，即指针有一定偏转后再回到“∞”，则为电容。

图2 测试电路

（4）区别电阻与电感（需使用信号发生器）。

它们的区别在于通过频率可调的交流电时，电阻元件的阻值不变而电感元件的感抗（ZL=ωL）随交流频率的改变而变化。

（5）将多用表与待测元件组成一个测试电路，如图2所示。图中i、j表示所测元件脚标。

测试结果见表1。

表1 试题1电子元件测试结果

由表1结论与分析可推断元件Z1为二极管D，元件Z2、Z3分别为电容C和电阻R。由此，黑盒子内三元件连接图如图3所示。

图3 盒子内元件连接图

试题2：仍以上题的黑盒子为例，提供信号发生器、双踪示波器和电阻箱，要求判断三元件。若有二极管判断其正负极，若有电阻、电容等，要测出其电阻、电容的数值。

解题前的基本分析：

若提供信号发生器、示波器和电阻箱，对于单个待测电学元件x，可用图4电路进行检测。设信号源输出交流电压振幅为Ao，频率为f，表2列出了检测结果。

本题的情况是无法检测单个元件，而是两个元件的串联，因此比较复杂，参考解法如下：

图4 基本分析的检测电路

检测1：电路如图5所示，调节信号发生器频率f约为lkHz，电阻箱Ro取为lkΩ。若观测到URO为单向脉波形电压时，说明Z1和Z2接点处为二极管负极。

检测2：电路如图6所示，Ro取lkΩ。Z1、Z3为二极管与电阻串联。）URo

（如无半波整流，则串联Z2、Z3进行分析。）

图5 检测1电路图

检测结果图像为上半周，则脚1或Z1、Z3接点处为二极管正极（检测结果图像为下半周，则该处为二极管负极）。

图6 检测2电路图

结合检测1，已可判断Z1为二极管D，Z2为电容C，Z3为电阻RO，且1脚为二极管正极。

表2 试题2电子元件测试结果

检测3：电路如图7所示。Ro取为lkΩ。将Z2、Z3现RO串联。

图7 检测3、4电路图

保持信号源输出电压U不变，若f增加，电压URo也增加，则说Z2、Z3中一个是电容，一个是电阻；因为f增加，则就增加。再结合检测1或检测2，亦可判断Z1为二极管D，Z2为电容C，Z3为电阻R。

说明：3次检测中，一般只需其中2次，即可分清Z1、Z2、Z3。

至此，本题黑盒子内三元已可判断，Z1为二极管D，Z2为电容C，Z3为电阻R。

检测4：目的是为了测出R的数值，电路仍如图7。将频率f取得大些，例如几十kHZ（f不是取得越大越好，若取得太大，例如5MHZ，由于频率过高，导线之间分布电容等会影响测量准确性），以使很小，可忽略不计。

测得信号源电压U及RO上电压URo，

取信号源频率f=20kHZ,

仍取Ro=lkΩ，由某黑盒子测得U=14.0V，URo=6.95V(Ut URo均为示波器屏上测得的峰峰值)，可求得待测电阻

图8 检测5电路图

黑盒子内电阻的标称值为lkΩ，由上述方法测得的结果已符合要求（由于忽略Zc及未考虑电源内阻，测量不会很准确。）

检测5：目的是为了测出C的数值，电路如图8所示。

实验中取Ro=lkΩ，f=lkHZ，测得U=14.1V，URo=6.9V

黑盒子内电容的标称值为0.47uF，检测结果亦符合要求。

二、结束语

用多用电表、电源、电阻箱、双踪示波器、信号发生器等基本的电学仪器检测黑盒子中的元件及参数是在物理实验以及科学研究中常用的实验方法，在黑盒子实验中开设综合性、设计性的实验更有利于培养学生的综合素质和创新能力，这种实验能使学生熟悉常用元件的特性及检测方法，熟练使用检测用的仪表，培养逻辑思维能力，提高分析、推理、判断的能力。黑盒子电学实验启发式、研究性的设计理念和思维方法可以推广到其他类型的物理实验教学中去，对于培养学生实事求是的科学态度，追求真理的科学精神及提高学生的实验分析能力和实验动手能力都是非常有益的。

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