黑箱實(shí)驗(yàn)探究

電學(xué)黑箱探索實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2016年6月14日摘要：已知黑箱內(nèi)有直流電源、交流電源、電阻（正負(fù)熱敏電阻和定值電阻）、電容、二極管、電感線圈，根據(jù)電阻正反接阻值不變，熱敏電阻阻值隨溫度變化，電容的充放電原理，二極管單向?qū)щ娦?、反向電阻無(wú)窮大和電感線圈在交流電路中阻抗的特性，利用萬(wàn)用電表檢測(cè)黑箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并推測(cè)出黑箱每對(duì)接線孔之間的原件。關(guān)鍵詞：黑箱、萬(wàn)用電表正文：黑箱，是指那些內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能無(wú)法直接觀測(cè)，只能通過(guò)外部觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)去認(rèn)識(shí)其性能和特性的系統(tǒng)或客體。求解這種未知系統(tǒng)的問題，就是黑箱問題。研究黑箱有兩種方法，一種是開啟黑箱法，即將黑箱分成局部，研究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能。物理學(xué)家在研究物質(zhì)的層次和結(jié)構(gòu)時(shí)，就是不斷開啟黑箱的過(guò)程。但由于開啟黑箱時(shí)，可能引起黑箱本身結(jié)構(gòu)和功能的變化，而且有些黑像是不允許打開或者由于技術(shù)問題尚不能打開，所以這種方法有很大的局限性。另一種方法是不開啟黑箱，即不破壞黑箱本身的結(jié)構(gòu)，而是有目的地對(duì)黑箱輸入信息，觀察黑箱對(duì)應(yīng)的輸出的信息，并利用分析、綜合、類比的邏輯的方法和必要的數(shù)學(xué)運(yùn)算而得出結(jié)論，最后確定黑箱內(nèi)部狀態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。黑箱問題雖然帶有一定的猜測(cè)性，但這種猜測(cè)必須符合一定外部特征下所做出的有方向的猜想。黑箱問題屬于根據(jù)所給結(jié)論，進(jìn)行逆向思維，推斷出黑箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的問題。解決電學(xué)黑箱問題的基本思路是：利用所學(xué)的電路基礎(chǔ)知識(shí)，分析題設(shè)所給各種數(shù)據(jù)條件，對(duì)黑箱內(nèi)部電路元件的連接情況進(jìn)行預(yù)判斷，找到正確的切入點(diǎn)。一、電學(xué)黑箱問題的分類“電學(xué)黑箱”的種類很多，沒有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)不同的分類方法，可分為三端型和多端型，有源（黑箱內(nèi)有電源）型和無(wú)源型，純電阻型和混合型。二、黑箱的原件特點(diǎn)及測(cè)量原理1、電阻、熱敏電阻⑴定值電阻Rt=R°（1+a?t）即阻值不隨溫度變化的電阻，隨著電流在電阻里流動(dòng)，阻值保持不變。⑵熱敏電阻熱敏電阻分為正溫度系數(shù)熱敏電阻和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，其阻值分別隨溫度的升高而明顯變大和變小。在通電過(guò)程中，熱敏電阻會(huì)因?yàn)殡娏鳠嵝?yīng)而改變阻值，從而使電路中的電流發(fā)生變化。NTC負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻：Rt=RteB（T-T0）PTC正溫度系數(shù)熱敏電阻：Rt=RteB（T-To）2、電容器常見電容器由兩塊金屬板組成，可存儲(chǔ)和釋放電荷。在與直流電源相連接時(shí)可進(jìn)行充電，當(dāng)儲(chǔ)存電荷達(dá)到一定值后處于穩(wěn)態(tài)，電阻無(wú)窮大，相當(dāng)于開路。故直流電路中剛通電時(shí)電路有一定電流然后逐漸降至0，相對(duì)的電阻也從一定阻值逐漸升至無(wú)窮大。電容器在連有交流電源的電路中存在一定的阻抗：R=1C33、電感線圈若線圈本身存在一定電阻，在直流電路中電感線圈相當(dāng)于一個(gè)電阻，只有在接通和斷開電源的一瞬間產(chǎn)生自感現(xiàn)象，產(chǎn)生阻抗，使得電路中電流相較同樣條件的直流電路中的電流明顯變小。電感線圈在交流電源的電路中的阻抗：R=w-14、二極管二極管具有單向?qū)щ姷奶匦裕凑驅(qū)?，反向短路。常見的二極管正向電阻很小或有一定電阻，反向電阻無(wú)窮大。5、斷路用萬(wàn)用表的歐姆檔測(cè)量，正反兩面都是無(wú)窮大。6、電源有源元件，能提供電能，用電壓檔測(cè)量各個(gè)接線柱，電壓最大的地方為電源所在的電路。三、黑箱問題解題思路1、首先必須用萬(wàn)用表直流電壓檔測(cè)出直流電源，交流電壓檔檢測(cè)出交流電源，以及各電源的正負(fù)極，因?yàn)槭紫葴y(cè)出電源后才能用歐姆檔檢測(cè)其他元件，否則歐姆檔接入電源后會(huì)導(dǎo)致萬(wàn)用表?yè)p壞。一般用50V量程測(cè)量電源所在的位置及電壓大小。2、然后再用歐姆檔檢測(cè)。對(duì)于指針式多用表，可以先選用X1K倍率檔。（1）如果正反接顯示的阻值相同，就表明所測(cè)的兩端之間可能接有電阻或者電感線圈，然后再用合適的量程測(cè)量精確的阻值，之后再進(jìn)一步檢測(cè)是否電感或者電阻類型。（2）如果正反接顯示的阻值相差很大，就表明所測(cè)的兩端之間接有二極管，再進(jìn)一步測(cè)出其正負(fù)極。（3）如果用最高倍率檔測(cè)量時(shí)正反接顯示的阻值都是無(wú)窮大，就可以判斷所測(cè)得兩端之間是斷路或者連有電容。（4）如果測(cè)出阻值是無(wú)窮大的接孔中正反接檢測(cè)使均出現(xiàn)先顯示一定阻值后再偏至無(wú)窮大，則可以判斷出兩端之間接有電容。黑箱問題流程圖具體如下:四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在箱面上有九組接線孔，它們分別是1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18，每行兩個(gè)接線孔為一組，兩個(gè)接線孔之間只可能有一個(gè)電學(xué)元件或者斷路，這些元器件可能是：電阻（定值電阻和正負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻）、電容、二極管、電感線圈、電源（有直流電源和交流電源）。1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）判斷這些元器件的位置。。（2）確定元件的規(guī)格參數(shù)。（3）確定黑箱內(nèi)元件的組合。2、實(shí)驗(yàn)器材電學(xué)黑箱（元件已知，位置未知），萬(wàn)用表等。3、實(shí)驗(yàn)步驟（1）首先判斷黑箱內(nèi)直流電源和交流電源的具體位置，電壓大?。ㄐ∮?0V）及其正負(fù)極。判斷的方法是用萬(wàn)用表測(cè)量，電壓檔選用50V的量程，測(cè)量電壓是否為零。分別用直流和交流電壓檔分別測(cè)量直流和交流電源的位置和電壓數(shù)值。（2）判斷出電源的具體位置后，用萬(wàn)用表的歐姆檔分別正接和反接測(cè)量其余接線孔組中的電阻，觀察出正反接阻值均為無(wú)窮大的接線孔組為斷路。是否在測(cè)量時(shí)是先顯示一定阻值再偏至無(wú)窮大，是則為電容。（4）正反接阻值相差大的接線孔組之間的則為二極管，并確定二極管的正負(fù)極。（5）對(duì)于正反接均顯示一定值的接線孔組，可能的元件為電感線圈、正負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻、定值電阻，借用已測(cè)出的電源端口分別通電一段時(shí)間，利用電流熱效應(yīng)對(duì)其進(jìn)行加熱，一段時(shí)間后直接其阻值或者間接測(cè)量電流，判斷出正負(fù)溫度系數(shù)熱敏發(fā)電阻的接線孔位置。（6）剩下定值電阻和電感線圈，分別測(cè)量在交流電源和直流電源下其電流大小并比較，電流大小相等或接近的為定值電阻，若在直流電路下的電流明顯大于在交流電路下的電流，則為電感線圈。4、實(shí)驗(yàn)記錄（1）將萬(wàn)用表調(diào)至交流電壓檔檢交流電源的位置，測(cè)得1、2號(hào)接線孔發(fā)生偏轉(zhuǎn)，電動(dòng)勢(shì)為E=27.0V（2）將萬(wàn)用表調(diào)至直流電壓檔出檢測(cè)直流電源的位置，測(cè)得17、18號(hào)接線孔發(fā)生偏轉(zhuǎn)，電動(dòng)勢(shì)E=23.2V其中17為正極，18位為負(fù)極。（3）將萬(wàn)用表調(diào)至歐姆檔檢測(cè)剩余接線孔：3、4：正接和反接均顯示一定阻值，示數(shù)為26.15mA5、6：電路中的電流維持在一定示數(shù)幾乎沒有變化。7、8：正接，顯示一定阻值，示數(shù)為5千歐，反接時(shí)顯示顯示阻值為無(wú)窮大。9、10：正接和反接均顯示阻值為無(wú)窮大。11、12：正接，顯示阻值達(dá)到一定值后偏至無(wú)窮大，反接，與正接時(shí)現(xiàn)象相同。13、14：正接和反接均顯示一定阻值，示數(shù)為7.5千歐15、16：正接和反接均顯示一定阻值，示數(shù)為20千歐（4）判斷熱敏電阻將直流電源分別與3、4、5、6、13、14、15、16接線孔串聯(lián)，對(duì)電阻進(jìn)行加熱，再將萬(wàn)用表調(diào)至直流電流檔持續(xù)測(cè)量電路中的電流，觀察電流變化：3、4：電路中電流維持在一定示數(shù)幾乎沒有變化。5、6：電路中電流維持在一定示數(shù)幾乎沒有變化。13、14：電路中電流隨時(shí)間變化而明顯變小。15、16：電路中電流隨時(shí)間變化而明顯變大。分析判定：3、4：所連電路元件為定值電阻或電感線圈。5、6：所連電路元件為定值電阻或電感線圈。13、14：所連元件為正溫度系數(shù)熱敏電阻。15、16：所連元件為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。（5）分辨定值電阻和電感線圈，將3、4、5、6接線孔分別與直流和交流電源串聯(lián)，再分別用萬(wàn)用表直流電源和交流電源檔檢測(cè)電流大小并分別進(jìn)行比較，觀察前后電流變化：3、4:記錄直流電路下電流示數(shù)偏轉(zhuǎn)明顯，比較交流電路下與前者數(shù)值接近。5、6：在直流電路下電流示數(shù)較大27.0mA轉(zhuǎn)到交流電路下電流示數(shù)偏轉(zhuǎn)較小1.7mA前后電流示數(shù)相差較大。由此可以判定3、4所連元件為定值電阻，5、6所連元件為電感線圈?？偨Y(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：1、2：交流電源，電動(dòng)勢(shì)為E=27.0V3、4：定值電阻，阻值為8.5千歐。5、6:電感線圈，直流電阻阻值為1千歐。

11、13、15、17、7、811、13、15、17、9、10：電路斷路。12:電容器。14：正溫度系數(shù)熱敏電阻，常溫下阻值為7.5千歐。16：負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，常溫下阻值為20千歐。18：直流電源，電動(dòng)勢(shì)為E=23.2V其中17位正極，18為負(fù)極。Vm正溫度系數(shù)熱敏電阻VmI、2交流電源E=27.0V3、4定值電阻5、6電感線圈7、8二極管9、10斷路II、12電容器13、14正溫度系數(shù)熱敏電阻15、16負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻17、18直流電源E=23.2V五、電學(xué)黑箱實(shí)驗(yàn)的思維訓(xùn)練功能1、逆向思維訓(xùn)練：在黑箱實(shí)驗(yàn)中，物理情景中只給出一些外部信息，我們需要從這些已知信息出發(fā)，倒著展開思路，分析推理產(chǎn)生的原因和條件，探求黑箱的結(jié)構(gòu)。這有效地培養(yǎng)了我們的逆向思維能力。2、發(fā)散思維訓(xùn)練：許多黑箱問題內(nèi)部結(jié)構(gòu)往往并不是唯一確定的，從而會(huì)出現(xiàn)多種解答方法，這有效地培養(yǎng)了我們的發(fā)散思維能力。3、邏輯思維訓(xùn)練：解答黑箱問題，必須具有一定的邏輯分析推理能力，要求做到周密，條理清晰，邏輯嚴(yán)密。六、實(shí)驗(yàn)總結(jié)通過(guò)探究電學(xué)黑箱每組接線柱之間的結(jié)構(gòu)（直流電源、交流電源、電容、電感線圈、定值電阻、正負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻等）的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，我們能更深入的了解這些電學(xué)元件的特征