快速有效地探究“电学黑箱”问题

所谓“电学黑箱”即箱内电学元件的种类、个数、连接方式均未知且不能直接打开的观测系统.在高中知识体系下常见的“电学黑箱”有纯电阻黑箱、纯电源黑箱、电源和电阻组成闭合电路的黑箱、电阻和二极管组成的黑箱以及含有电容、电感的黑箱.由于黑箱有利于考查学生发散思维、推理、判断和灵活运用知识的能力，所以“电学黑箱”问题也是高考经常出现的热点.

学生在遇到电学黑箱问题时，常常感到无从应对，束手无策，因为处理黑箱问题对学生的综合探究能力要求较高，一方面要求学生要有熟练使用多用电表进行测量、记录、观察的能力，另一方面要能对实验记录的数据进行分析、推理和判断的能力，同时还要具有一定的知识储备、具有猜想、假设和探究的能力，另外平时学生接触电学实验器材和这类电学黑箱的机会不多，没有引起学生足够的重视，所以“电学黑箱”就成为学生学习中的一个薄弱点和难点.本文将以黑箱为载体，谈谈如何快速有效地处理“电学黑箱”问题.

在教学实践中，我通常采用理论探究和分组实验探究的方法来进行突破.分组实验探究时，先在实验室准备多个多用电表和多个种类的电学黑箱，然后让学生四人一组，在课后分小组进行自主探究，找出其内在的规律.

1明确探究原则，熟悉探究的步骤

学生在自主探究过程中往往是探究无目的，测量无记录，有的对同一接线柱进行反复测试，且多数同学首先选用多用电表欧姆档进行探测，发现指针过偏或反偏后，才会考虑要用多用电表电压档检测箱中是否会有电源.为此，在学生分组探究之前教师要作适当的点拨，明确探究必须遵循的原则和探究的步骤.

1.1探究实验必须遵循的原则

（1）安全性原则.在实验过程中不能损坏多用电表，这一原则要求学生对多用电表的原理、电路及电压表、电流表、欧姆表使用注意事项要十分熟悉，如欧姆表的红、黑表笔与电源正负极的关系，电流表指针偏转方向与电流流向的关系等.

（2）程序性原则.要求学生在探究过程中要总结出普遍适用的判断流程，具有可操作性.

（3）唯一性原则.实验中所进行的操作过程要能唯一确定元件的种类，具有排他性，这一原则要求学生对各种电学元件的电学特征必须非常熟悉，如二极管的单向导电性等.

1.2探究电学黑箱的操作步骤

（1）先检电源.在探究中，若无法判断箱内是否有电源时，可用多用电表的直流电压档串接二极管进行检测，检测时先采用触接法，若电压表有读数，则箱内一定含有电源.

（2）然后判断是否有二极管或定值电阻，用欧姆表对黑箱外两接柱分别加正向和反向电压，若读数相差很大，则箱内一定有二极管，若读数相同，则两接线柱间一定是定值电阻.

（3）再进行实验数据记录和分析.在进行探究黑箱实验中，要养成良好的实验数据记录和分析的习惯，必须对接线柱进行编号，如1、2、3、…，分红、黑表笔记录数据，设计好数据记录表格，然后逐一记录，表格样式表1.

HT6]JZ]表1BG（！]BHDFG3，WK8，K4，K4，K4W]XXZSX3-YX]XXZSY1-YX]BS（ZSX5Y*4-ZSX5Y*4]红表笔BS）]BS（ZSX1*2Y*3-ZSX1*2Y*3]读数BS）]BS（ZSX*8Y1*8/9-ZSX*8Y1*8/9]黑表笔BS）]]1]2]…BHDG2]1]XXZX-YS]BHD]2]]XXZX-YS]BH]…]]]XXZX-YS]BG）F]最后要求学生根据表中数据呈现出的规律进行分析、归纳，确定出黑箱内电学元件的种类和连接方式.

2设计黑箱案例，分组实施探究

课外，我设计了几个典型案例，让学生分组分批对这几个案例进行探究，然后进行交流，从而逐步提高学生的探究能力.

各探究小组拿到黑箱后，根据实验原则和实验步骤，先制定探究方案，设计好实验测量数据记录表格，然后着手进行实验，根据数据进行推理判断，得出结论，从而完成实验，在各组都完成实验后，进行交换实验，最后由各组推选一个代表汇报各实验方案的探究结果.

TP4GW131.TIF，Y#]案例一如图1所示的黑箱中有三个完全相同的电学元件，小明使用多用电表对其进行探测，在判定黑箱中无电源后，用欧姆表测量各接点间的阻值，测量中发现，每对接点间正反向电阻均相等，测量记录如表2.

HT6]JZ]表2BG（！]BHDFG2，WK10，K10W]两表笔接的接点]多用电表示数BHD]a，b]5 ΩBH]a，c]10.0 ΩBH]b，c]15.0 ΩBG）F]请通过探究，画出黑箱中可能的电路.

实验结果由题意可知，此黑箱内无电源，无二极管为纯电阻黑箱，根据接点间电阻的关系，a，c间阻值为a，b间阻值的一倍，很容易判断出箱内三只电阻的连接方式，如图2所示.

TP4GW132.TIF，BP#]此实验要注意具有双解性，因为当内部结构不同时，外部特点可能相同，所以答案有上述两种.

TP4GW133.TIF，Y#]案例二如图3所示，黑箱上有1、2、3三个接线柱，用多用电表测量结果如下：

（1）用直流电压档测量，1、2、3接线柱之间均无电压；

（2）用欧姆档测量结果如表3.

HT6]JZ]表3BG（！]BHDFG3，WK8，K4，K4，K4W]XXZSX3-YX]XXZSY1-YX]BS（ZSX5Y*4-ZSX5Y*4]红表笔BS）]BS（ZSX1*3Y*4-ZSX4Y1]读数/ΩBS）]BS（ZSX*8Y1*8/9-ZSX*8Y1*8/9]黑表笔BS）]]1]2]3BHDG2]1]XXZX-YS]]65]25BHD]2]1.6k]XXZX-YS]]1.7kBH]3]25]81]XXZX-YS]BG）F]请根据上述测量结果判断箱内电学元件及连接方式.

实验结果根据实验数据分析可知，由于直流电压表测量三个接线柱之间均无电压，所以可以判断出箱内无电源；又由于用欧姆表测1、3接线柱间正反向电阻值不变，可以确定1、3之间为一定值电阻TP4GW134.TIF，Y#]；再根据欧姆表黑表笔接2，红表笔分别接1和3测得电阻值较大，而黑表笔接1红表笔接2，其阻值较小，因此1、2接线柱之间应为二极管，电路连接如图4所示.

上述分析采用先判断有无电源，然后用欧姆表根据二极管和定值电阻的电学特性结合测量数据进行分析和推理，很快就能得出结果.

TP4GW135.TIF，Y#]案例三在图5所示的黑箱内，有一个内阻不计的电源，几个阻值相同的电阻和若干导线组成的电路，外有4个接线柱，用电压表测量各接线柱之间的电压分别为U12=5 V，U34=3 V，U13=2 V，U24=0，试画出黑箱内使用电阻最少的电路图.

实验结果因为U12=5 V，且2个接线柱间电压最大，说明1、2接线柱间有电源，且1接线柱接电源正极；U24=0表明2、4接线柱之间没有电压，即2、4之间直接有一根导线相连.

因此，在1、3接线柱之间可接二个电阻，在3、4接线柱间可接三只电阻，也可在1、3接线柱之间接一只电阻，在3、4接线柱之间接三只电阻，或1、3接线柱间接三只电阻，3、4接线柱间接一只电阻.如图6所示：

TP4GW136.TIF，BP#]根据题目要求可知，图6中B、C两种电路电阻最少.

在分组进行探究过程中，学生目标明确，求知欲强，纷纷动手，先猜测，再测量，学习兴趣浓烈，同时小组内学生个体存在差异，有的动手能力强，有的学生思维敏捷，反应较快，这时就要求组内同学相互帮助进行协作，加强学生之间的互动和合作，通过这种课外探究活动学生总结出了一批处理黑箱问题的经验和规律，大大提升了学生的探究能力.

3总结实验规律，提升判断能力

在学生分组探究结果汇报之后，要求学生就探究过程中发现的规律和体会进行交流，归纳总结，学生踊跃发言，就他们发现的各种电学元件的特有的现象进行如下归纳：

3.1用直流电压表测量

若电压表测得两接线柱间电压最大，则两接线柱间有电源；若电压表测得各接线柱间电压不同，则黑箱内部电源与元件构成一回路；若任意两接线柱间无电压，则盒内无电源；若两接柱间电压成比例，则反应其对应阻值也同样成比例.

3.2用欧姆表测量

若测得两接线柱间电阻为零，则两接线柱由无阻导线短接；若两接线柱间红、黑表笔正反连接，读数相同，则两接线柱间为一定值电阻；若欧姆表测得电阻为无穷大，则两接线柱间开路；若欧姆表测得两简线柱间正、反向阻值相差很大，则两接线柱间接有二极管；若欧姆表测得两接线柱间电阻值先很小，后逐渐变大，回到“∞”刻度处，则两接线柱间有电容；若欧姆表测得两接线柱间电阻值先很大、后逐渐变小，则两接线柱间有电感线圈.

根据上述实验总结出的规律，在实际进行黑箱分析时，就可以由实验数据根据规律直接进行推理判断，从而快速确定黑箱内的电器元件种类和连接的方式.

总之，利用“电学黑箱”让学生分组进行探究，可以使他们经历探究的过程，摸索出处理“电学黑箱”的一般的判断规律，提高他们分析和处理实际问题的能力；给予学生“游戏规则”，适当引导学生的探究方向，使学生积累一定直接经验，体会其分析推理的思维过程.当他们的判断结论和开箱验证的结果一致时，成功的喜悦将是他们进一步学习和探究的强大的内驱力，当他们以后遇到类似问题时就能触类旁通，从而使黑箱问题迎刃而解.