蔣明燦

（遵義市第四中學，貴州 遵義 563000）

“黑盒子”實驗題是國際物理奧林匹克競賽常見實驗試題。本文提供了一個最常見的電學“黑盒子”實驗題，雖然連線結構簡單，但因電學元件性質不同，其解題方法，難度差別較大。以下對這一“黑盒子”實驗題進行分析與研究，以供物理實驗教學或物理競賽培訓作為參考。

一、試題和解法

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

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個電學元件，它們分別可能為一個電阻、一個電容、一個二極管。若是二極管，說出其露出端是正極還是負極。

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阻值相同，則該元件為電阻。

（2）用多用表電阻檔判斷有無二極管。

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

（3）用多用表電阻檔判斷有無電容。

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

圖2 測試電路

（4）區(qū)別電阻與電感（需使用信號發(fā)生器）。

它們的區(qū)別在于通過頻率可調(diào)的交流電時，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）將多用表與待測元件組成一個測試電路，如圖2所示。圖中i、j表示所測元件腳標。

測試結果見表1。

表1 試題1電子元件測試結果

由表1結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極，若有電阻、電容等，要測出其電阻、電容的數(shù)值。

解題前的基本分析：

若提供信號發(fā)生器、示波器和電阻箱，對于單個待測電學元件x，可用圖4電路進行檢測。設信號源輸出交流電壓振幅為Ao，頻率為f，表2列出了檢測結果。

本題的情況是無法檢測單個元件，而是兩個元件的串聯(lián)，因此比較復雜，參考解法如下：

圖4 基本分析的檢測電路

檢測1：電路如圖5所示，調(diào)節(jié)信號發(fā)生器頻率f約為lkHz，電阻箱Ro取為lkΩ。若觀測到URO為單向脈波形電壓時，說明Z1和Z2接點處為二極管負極。

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

（如無半波整流，則串聯(lián)Z2、Z3進行分析。）

圖5 檢測1電路圖

檢測結果圖像為上半周，則腳1或Z1、Z3接點處為二極管正極（檢測結果圖像為下半周，則該處為二極管負極）。

圖6 檢測2電路圖

結合檢測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電子元件測試結果

檢測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3、4電路圖

保持信號源輸出電壓U不變，若f增加，電壓URo也增加，則說Z2、Z3中一個是電容，一個是電阻；因為f增加，則就增加。再結合檢測1或檢測2，亦可判斷Z1為二極管D，Z2為電容C，Z3為電阻R。

說明：3次檢測中，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4：目的是為了測出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，由于頻率過高，導線之間分布電容等會影響測量準確性），以使很小，可忽略不計。

測得信號源電壓U及RO上電壓URo，

取信號源頻率f=20kHZ,

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

圖8 檢測5電路圖

黑盒子內(nèi)電阻的標稱值為lkΩ，由上述方法測得的結果已符合要求（由于忽略Zc及未考慮電源內(nèi)阻，測量不會很準確。）

檢測5：目的是為了測出C的數(shù)值，電路如圖8所示。

實驗中取Ro=lkΩ，f=lkHZ，測得U=14.1V，URo=6.9V

黑盒子內(nèi)電容的標稱值為0.47uF，檢測結果亦符合要求。

二、結束語

用多用電表、電源、電阻箱、雙蹤示波器、信號發(fā)生器等基本的電學儀器檢測黑盒子中的元件及參數(shù)是在物理實驗以及科學研究中常用的實驗方法，在黑盒子實驗中開設綜合性、設計性的實驗更有利于培養(yǎng)學生的綜合素質和創(chuàng)新能力，這種實驗能使學生熟悉常用元件的特性及檢測方法，熟練使用檢測用的儀表，培養(yǎng)邏輯思維能力，提高分析、推理、判斷的能力。黑盒子電學實驗啟發(fā)式、研究性的設計理念和思維方法可以推廣到其他類型的物理實驗教學中去，對于培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度，追求真理的科學精神及提高學生的實驗分析能力和實驗動手能力都是非常有益的。

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