黑箱实验探究.doc

电学黑箱探索实验 时间：2016年6月14日摘要：已知黑箱内有直流电源、交流电源、电阻（正负热敏电阻和定值电阻）、电容、二极管、电感线圈，根据电阻正反接阻值不变，热敏电阻阻值随温度变化，电容的充放电原理，二极管单向导电性、反向电阻无穷大和电感线圈在交流电路中阻抗的特性，利用万用电表检测黑箱的内部结构，并推测出黑箱每对接线孔之间的原件。关键词：黑箱、万用电表正文：黑箱，是指那些内部结构和性能无法直接观测，只能通过外部观测和实验去认识其性能和特性的系统或客体。求解这种未知系统的问题，就是黑箱问题。研究黑箱有两种方法，一种是开启黑箱法，即将黑箱分成局部，研究其内部结构和功能。物理学家在研究物质的层次和结构时，就是不断开启黑箱的过程。但由于开启黑箱时，可能引起黑箱本身结构和功能的变化，而且有些黑像是不允许打开或者由于技术问题尚不能打开，所以这种方法有很大的局限性。另一种方法是不开启黑箱，即不破坏黑箱本身的结构，而是有目的地对黑箱输入信息，观察黑箱对应的输出的信息，并利用分析、综合、类比的逻辑的方法和必要的数学运算而得出结论，最后确定黑箱内部状态和内部结构。黑箱问题虽然带有一定的猜测性，但这种猜测必须符合一定外部特征下所做出的有方向的猜想。黑箱问题属于根据所给结论，进行逆向思维，推断出黑箱内部结构的问题。解决电学黑箱问题的基本思路是：利用所学的电路基础知识，分析题设所给各种数据条件，对黑箱内部电路元件的连接情况进行预判断，找到正确的切入点。一、电学黑箱问题的分类“电学黑箱”的种类很多，没有统一的分类标准，根据不同的分类方法，可分为三端型和多端型，有源（黑箱内有电源）型和无源型，纯电阻型和混合型。二、黑箱的原件特点及测量原理1、电阻、热敏电阻(1)定值电阻Rt=R0(1+t)即阻值不随温度变化的电阻，随着电流在电阻里流动，阻值保持不变。(2)热敏电阻热敏电阻分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻，其阻值分别随温度的升高而明显变大和变小。在通电过程中，热敏电阻会因为电流热效应而改变阻值，从而使电路中的电流发生变化。NTC负温度系数热敏电阻：Rt=RT0eB(1T-1T0)PTC正温度系数热敏电阻：Rt=RT0eB(T-T0)2、电容器常见电容器由两块金属板组成，可存储和释放电荷。在与直流电源相连接时可进行充电，当储存电荷达到一定值后处于稳态，电阻无穷大，相当于开路。故直流电路中刚通电时电路有一定电流然后逐渐降至0，相对的电阻也从一定阻值逐渐升至无穷大。电容器在连有交流电源的电路中存在一定的阻抗：R=1C3、电感线圈若线圈本身存在一定电阻，在直流电路中电感线圈相当于一个电阻，只有在接通和断开电源的一瞬间产生自感现象，产生阻抗，使得电路中电流相较同样条件的直流电路中的电流明显变小。电感线圈在交流电源的电路中的阻抗：R=t4、二极管二极管具有单向导电的特性，即正向导通，反向短路。常见的二极管正向电阻很小或有一定电阻，反向电阻无穷大。5、断路用万用表的欧姆档测量，正反两面都是无穷大。6、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。三、黑箱问题解题思路1、首先必须用万用表直流电压档测出直流电源，交流电压档检测出交流电源，以及各电源的正负极，因为首先测出电源后才能用欧姆档检测其他元件，否则欧姆档接入电源后会导致万用表损坏。一般用50V量程测量电源所在的位置及电压大小。2、然后再用欧姆档检测。对于指针式多用表，可以先选用1K倍率档。（1）如果正反接显示的阻值相同，就表明所测的两端之间可能接有电阻或者电感线圈，然后再用合适的量程测量精确的阻值，之后再进一步检测是否电感或者电阻类型。（2）如果正反接显示的阻值相差很大，就表明所测的两端之间接有二极管，再进一步测出其正负极。（3）如果用最高倍率档测量时正反接显示的阻值都是无穷大，就可以判断所测得两端之间是断路或者连有电容。（4）如果测出阻值是无穷大的接孔中正反接检测使均出现先显示一定阻值后再偏至无穷大，则可以判断出两端之间接有电容。黑箱问题流程图具体如下： 用万用表检测接线柱间的电压U=0？否电源用万用表合适的欧姆档测各电压为0的接线柱间的电阻R=0短路R=电容或断路R=常数电阻或电感四、实验内容在箱面上有九组接线孔，它们分别是1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18，每行两个接线孔为一组，两个接线孔之间只可能有一个电学元件或者断路，这些元器件可能是：电阻（定值电阻和正负温度系数热敏电阻）、电容、二极管、电感线圈、电源（有直流电源和交流电源）。1、实验目的（1）判断这些元器件的位置。（2）确定元件的规格参数。（3）确定黑箱内元件的组合。2、实验器材电学黑箱（元件已知，位置未知），万用表等。3、实验步骤（1）首先判断黑箱内直流电源和交流电源的具体位置，电压大小（小于30V）及其正负极。判断的方法是用万用表测量，电压档选用50V的量程，测量电压是否为零。分别用直流和交流电压档分别测量直流和交流电源的位置和电压数值。（2）判断出电源的具体位置后，用万用表的欧姆档分别正接和反接测量其余接线孔组中的电阻，观察出正反接阻值均为无穷大的接线孔组为断路。是否在测量时是先显示一定阻值再偏至无穷大，是则为电容。（4）正反接阻值相差大的接线孔组之间的则为二极管，并确定二极管的正负极。（5）对于正反接均显示一定值的接线孔组，可能的元件为电感线圈、正负温度系数热敏电阻、定值电阻，借用已测出的电源端口分别通电一段时间，利用电流热效应对其进行加热，一段时间后直接其阻值或者间接测量电流，判断出正负温度系数热敏发电阻的接线孔位置。（6）剩下定值电阻和电感线圈，分别测量在交流电源和直流电源下其电流大小并比较，电流大小相等或接近的为定值电阻，若在直流电路下的电流明显大于在交流电路下的电流，则为电感线圈。4、实验记录（1）将万用表调至交流电压档检交流电源的位置，测得1、2号接线孔发生偏转，电动势为E=27.0V（2）将万用表调至直流电压档出检测直流电源的位置，测得17、18号接线孔发生偏转，电动势E=23.2V 其中17为正极，18位为负极。（3）将万用表调至欧姆档检测剩余接线孔：3、4：正接和反接均显示一定阻值，示数为26.15mA5、6：电路中的电流维持在一定示数几乎没有变化。7、8：正接，显示一定阻值，示数为5千欧，反接时显示显示阻值为无穷大。9、10：正接和反接均显示阻值为无穷大。11、12：正接，显示阻值达到一定值后偏至无穷大，反接，与正接时现象相同。13、14：正接和反接均显示一定阻值，示数为7.5千欧15、16：正接和反接均显示一定阻值，示数为20千欧（4）判断热敏电阻将直流电源分别与3、4、5、6、13、14、15、16接线孔串联，对电阻进行加热，再将万用表调至直流电流档持续测量电路中的电流，观察电流变化：3、4：电路中电流维持在一定示数几乎没有变化。5、6：电路中电流维持在一定示数几乎没有变化。13、14：电路中电流随时间变化而明显变小。15、16：电路中电流随时间变化而明显变大。分析判定：3、4：所连电路元件为定值电阻或电感线圈。5、6：所连电路元件为定值电阻或电感线圈。13、14：所连元件为正温度系数热敏电阻。15、16：所连元件为负温度系数热敏电阻。（5）分辨定值电阻和电感线圈，将3、4、5、6接线孔分别与直流和交流电源串联，再分别用万用表直流电源和交流电源档检测电流大小并分别进行比较，观察前后电流变化：3、4:记录直流电路下电流示数偏转明显，比较交流电路下与前者数值接近。5、6：在直流电路下电流示数较大27.0mA转到交流电路下电流示数偏转较小1.7mA前后电流示数相差较大。由此可以判定3、4所连元件为定值电阻，5、6所连元件为电感线圈。总结实验结果：1、2：交流电源，电动势为E=27.0V3、4：定值电阻，阻值为8.5千欧。5、6:电感线圈，直流电阻阻值为1千欧。7、8：二极管，且7为正极，8为负极，正向阻值为5千欧，反向阻值无穷大。9、10：电路断路。11、12：电容器。13、14：正温度系数热敏电阻，常温下阻值为7.5千欧。15、16：负温度系数热敏电阻，常温下阻值为20千欧。17、18：直流电源，电动势为E=23.2V其中17位正极，18为负极。1、2 交流电源 E=27.0V3、4 定值电阻5、6 电感线圈7、8 二极管9、10 断路11、12 电容器13、14 正温度系数热敏电阻15、16 负温度系数热敏电阻17、18 直流电源 E=23.2V五、电学黑箱实验的思维训练功能1、逆向思维训练：在黑箱实验中，物理情景中只给出一些外部信息，我们需要从这些已知信息出发，倒着展开思路，分析推理产生的原因和条件，探求黑箱的结构。这有效地培养了我们的逆向思维能力。 2、发散思维训练：许多黑箱问题内部结构往往并不是唯一确定的，从而会出现多种解答方法，这有效地培养了我们的发散思维能力。3、逻辑思维训练：解答黑箱问题，必须具有一定的逻辑分析推理能力，要求做到周密，条理清晰，逻辑严密。六、实验总结通过探究电学黑箱每组接线柱之间的结构（直流电源、交流电源、电容、电感线圈、定值电阻、正负温度系数热敏电阻等）的实验设计思路，我们能更深入的