黑箱论文何立鹏Word文档格式.docx

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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存在阻抗的特性，利用万用表检测黑箱的内部结构，并推测出黑箱每对接线孔之间的元件。

关键词：

黑箱、万用表。

正文：

一、黑箱，指的是内部结构和特性不能直接观测的系统，只能通过外部观测和试验去认识的其性能和特性的系统和客体。

求解这种未知系统的问题，就是黑箱问题。

这些黑箱的内部结构和机理还不清楚或不十分清楚，需要我们去了解、去认识。

著名的控制论专家艾什说：

“所有的事物实际上都是黑箱，并且我们从小到老一辈子都在跟黑箱打交道”。

在物理教学中，我们遇到许多黑箱问题,如果我们能恰当地运用这些黑箱问题,将十分有利于培养与训练学生的创造思维。

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，但由于开启黑箱时，可能会引起黑箱本身结构和功能的变化，而且有些黑箱不允许打开或由于技术问题不能打开，所以这种方法有很大的限制。

另一种方法是不开启黑箱，既不破坏黑箱的半身结构，而是有目的地对黑箱输入信息，观测黑箱对应的输出信息，并利用分析、综合、利弊等逻辑的方法和必要的数学运算而得到结论最后确定黑箱内部状态和内部结构。

解决黑箱问题的基本程序：

二、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，抓住问题的关键，找到正确的切入点。

三、黑箱的原件简单介绍：

（1）电阻、热敏电阻

①定值电阻

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。

正温度系数热敏电阻：

负温度系数热敏电阻：

（2）电容器

电容器由两块金属板组成，可储存和释放电荷。

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会处于稳态，电阻无穷大，相当于开路。

故在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阻抗：

（3）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。

在交流电路中，电感线圈会存在自感现象，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。

电感线圈在交流电路中的阻抗：

（4）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。

四、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作出的有方向的猜想。

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,抓住问题的关键,找到正确的切入点。

黑箱问题所提供的条件不同，但解题思路大致可以是：

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量程测量电源所在位置及其电压大小。

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。

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。

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。

如果用最高倍率档测量时正反接显示的阻值都是无穷大，就可以判断所测的两端之间是断路或者连有电容。

如果测出阻值是无穷大的接孔中正反接检测时均是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。

具体内容如下：

五、开始实验

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（直流电源和交流电源）。

实验目的：

1、判断黑箱内电学元器件的种类及其位置。

2、确定元件的规格参数。

3、确定黑箱内元件的组合。

实验器材：

电路黑箱（内部可能的元件已知，但不知道位置），万用表（能够测量交流电流）。

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，电压大小及其正负极。

判断的方法是用万用表测量，打至电压档测量电压是否为零。

直流电压档不能测出交流电源，反之交流电压档也不能测出直流电源，要分别打到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，选用50V的量程。

2、判断出电源的具体位置后，用万用电表的欧姆档分别正接和反接测量其余接线孔组中的电阻，初步判断出正反接电阻均为同一定值，正反接电阻均为无穷大，正反接阻值相差巨大的接线孔组，能测出阻值的接线孔需测量出具体数值，然后分析出这些现象中可能存在的原件，并分别进行进一步检测。

3、观察出正反接阻值均为无穷大的接线孔组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，不是则为断路。

4、正反接阻值相差巨大的接线孔组之间的原件则为二极管，再进一步测出二极管的正负极。

5、对于正反接均显示相同定值的接线孔组，可能的元件为电感线圈，正负温度系数热敏电阻，定值电阻。

可先将这些接线孔组分别通电一段时间，利用电流热效应对其进行加热，一段时间后直接或者间接测量其阻值并与之前的阻值进行比较，判断出正负温度系数热敏电阻的接线孔位置。

剩下定值电阻和电感线圈，再做进一步检测

6、将电压相等或相近的交流电源和直流电源分别与剩下的接线孔组相连，分别测量在交流电源和直流电源下其电流大小并比较，电流大小相等或相近的为定值电阻，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。

7、测量完毕，整理实验数据，确定出黑箱内部的具体构造。

实验进度：

1将万用表调至交流电压档检测交流电源的位置，测得1，2号接线孔发生偏转，电动势E=26.5V。

2将万用表调至直流电压档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=23.5V。

3将万用表调至欧姆档检测剩余接线孔：

7、8：

正接，显示阻值达到一定值后偏至无穷大，反接，与正接时象相同。

13、14：

正接，显示一定阻值，示数为5KΩ，反接时显示阻值为无穷大。

5、6：

正接和反接均显示一定阻值，示数为850Ω。

9、10：

正接和反接均显示阻值为无穷大。

15、16：

正接和反接均显示一定阻值，示数为20KΩ。

11、12：

正接和反接均显示一定阻值，示数为7.5KΩ。

3、4：

正接和反接均显示一定阻值，示数为1KΩ。

初步分析判定：

所连元件为电容器。

所连元件为二极管，且13为正极，14为负极。

所连元件为电阻（正负温度系数热敏电阻）或者电感线圈。

两接线孔之间无连接或者断路。

4进一步实验，将直流电源分别与5、6，15、16，11、12，3、4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：

电路中电流维持在一定示数几乎没有变化。

电路中电流随时间变化而明显变大。

电路中电流随时间变化而明显变小。

进一步分析判定：

所连元件为定值电阻或者电感线圈。

所连元件为负温度系数热敏电阻。

所连元件为正温度系数热敏电阻。

5分辨定值电阻和电感线圈，将5、6，3、4接线孔分别与电动势相等或相近的直流和交流电源串联，再分别用万用表直流电流和交流电流档检测其电流大小并分别进行比较，观察前后电流变化：

在直流电路下电流示数偏转明显，转到交流电路下现象与前者相同且电流数值相近。

在直流电路下电流示数偏转明显，转到交流电路下电流示数偏转很小，前后电流数值相差较大。

由此可以判定5、6所连元件为定值电阻，3、4所连元件为电感线圈。

总结实验结果：

17、18：

直流电源，电动势为E=23.5V。

电容器。

二极管，且13为正极，电阻为5KΩ，14为负极，电阻无穷大。

定值电阻，阻值为850Ω。

电路断路。

负温度系数热敏电阻，常温下阻值为20KΩ。

正温度系数热敏电阻，常温下阻值为7.5KΩ。

电感线圈，自身电阻阻值为1KΩ。

1、2：

交流电源，电动势为E=26.5V。

至此，黑箱内部所有接线孔所连元件全部检测出，实验结束。

六、物理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的信息，学生需

要从这些书已知信息出发，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。

这有效地培养了学生的逆向思维能力。

2、发散思维训练：

许多黑箱部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，这有效地培养了学生的发散思维能力。

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，逻辑严谨

总结：

经过这一年的大学物理实验的学习，我发现了自己身上存在的种种不足。

我的动手能力还不够强，当遇到动手能力强的实验时，我总是脚忙手乱，不能从容应对。

我的探索方式还需改善，当面对一些复杂的实验时，我还是不能很快很好的完成实验。

我的数据处理能力还有待提高，当眼前摆着一大堆复杂的实验数据之时，我处理的能力及方式还是不足，不能用最佳的方法处理数据使实验数据误差减小到最小值。

“加强基础，重视应用，开拓思维，培养能力，提高素质”是大学物理实验的指导思想。

而现在，我已基本克服自己的大部分问题。

在做这次黑箱实验时，上述现象已经得到了很大程度的改善，实验过程和实验结束后对实验数据的处理都比较顺利。

根据探究这个黑箱每组接线孔之间的结构（电阻、电容、二极管、电感线圈、电源等）逆向思维的实验设计思路，我们能够探究更大的黑箱（电磁继电器、电机、传感器等）的内部结构，了解更多电学元件的特性。

通过这次的探究性实验，让我在思考问题更能全面，更深入，动手能力也得到提高，使我掌握了研究实验的内容和步骤，使我们不仅能探究电学黑箱实验，也为我们探索其他黑箱实验提供了保障，这次实验我收获颇多。

总之，在大学物理实验的学习中收获颇丰，发现的不足也很多，在实验课上得到的我会把它发挥下去，并且在今后的学习生活中，我会把这些好的习惯发挥其中，在此期间发现的不足，我将努力改善，也会通过以后的学习实践等方式不断提高自己。

参考文献：

[1] 

张滨. 

含电源电学黑箱的理论分析与实验探讨. 

天津大学出版社

[2] 

刘桂花.电路黑箱的实验研究.高等教育出版社

[3]李学辉、徐鹏等.大学物理实验（第二版）.高等教育出版社