Multisim11仿真軟件在高中物理電學實驗教學中的應用
——以“測電源電動勢和內阻”“電容器充放電”為例

王巧麗 任新成

(延安大學物理與電子信息學院 陜西 延安 716000)

在國外，最早在教育學意義上運用“情境”的是杜威，他認為，“我們主張必須有一個實際的直接經(jīng)驗，作為思維的開始階段.”[1]中學物理實驗教學對于學生掌握知識、培養(yǎng)動手能力、提高素養(yǎng)具有重要的意義，但是，有一些實驗因為缺乏器材或者有一定的危險性且現(xiàn)象不是太明顯，使得實驗教學的效果大打折扣，進而影響到物理教學的成?。畟鹘y(tǒng)的“電路理論”課程對于理論的講解比較多，概念抽象，學生對教學內容缺乏感性認識，學習起來有難度．Multisim11計算機仿真與虛擬儀器技術可以很好地解決理論教學與實際動手實驗相脫節(jié)的問題[2]．

本文就Multisim11軟件在高中物理電學實驗教學中的應用作一探討．

1 Multisim11簡介

Multisim11作為一款專門用于電子線路仿真與設計的EDA(Electronic Design Automation，電子設計自動化)工具軟件，Multisim11先進的電路仿真和設計功能是目前其他眾多 EDA 軟件所不具備的，該軟件以圖形界面為主，采用菜單欄、工具欄和熱鍵相結合的方式，具有一般Windows應用軟件的界面風格，操作起來也方便，尤其是多種可放置到設計電路中的虛擬儀表，使電路的仿真分析操作更符合工程技術人員的工作習慣[3]．在中學階段，物理學科是大多數(shù)學生最頭疼的科目之一，學生普遍感到抽象、枯燥、邏輯性太強．將Multisim11應用于高中物理實驗教學中，可以使教學過程更加形象、生動，易于學生理解和接受．除此以外，因Multisim11具有直觀的圖形界面、豐富的元器件、強大的仿真能力、豐富的測試儀器、完備的分析手段等優(yōu)點，就不僅可以使實驗教學方便開展，而且在一定程度上解決了實驗器材缺乏的問題，從而在虛擬環(huán)境中解決電學實驗中的一些問題，將電學實驗展現(xiàn)得淋漓盡致．

2 Multisim11仿真軟件在高中物理電學實驗教學中的應用

2.1 測電源電動勢和內阻

測電源電動勢和內阻實驗是普通高中課程標準實驗教科書《物理·選修3-1》中基本而重要的內容[4,5]．對于測量方法的選擇，文獻[6]分別從電阻測量誤差分析、電流表內外接法選擇依據(jù)、電流表內外接法判定條件、測量電阻的功率等方面進行研究．其拓展原理方法有伏伏法、安安法[7,8]．在已經(jīng)掌握了閉合電路歐姆定律的前提下，再來學習如何測量電源電動勢和內阻的知識會顯得更加輕松．在本文中主要探討將Multisim11仿真軟件應用于教學中，這樣能夠在虛擬條件下把原理說得更清楚．

實例1：要測量如圖1所示的電路中待測電源的電動勢和內阻．

圖1 測量待測電源電動勢和內阻電路圖

打開Multisim11軟件，在元器件庫中調出所需要的電源、電阻、電壓表、電流表以及開關等元器件，根據(jù)圖1連接好仿真電路，如圖2所示．

圖2 測量待測電源電動勢和內阻仿真圖

圖2中R為滑動變阻器，最大阻值為20 Ω，調節(jié)其滑片改變的是滑片左端的電阻所占整個電阻的百分比值．R1是一個阻值為10 Ω的定值電阻，XMM1和XMM2分別為電流表和電壓表，J1為單刀開關．虛擬電路環(huán)境中，其各個元器件很理想，所以可以稍作改進，在這里將電動勢約3 V，內阻約為2 Ω的待測電源改裝為由一個理想電源V1(2.9 V)和一個電阻R2(1.8 Ω)串聯(lián)的結構，通過實驗數(shù)據(jù)對電源的電動勢和內阻進行驗證．

連接好電路后運行實驗，依次分別調節(jié)滑動變阻器的百分比為0%，25%，50%，75%，使其接入電路的阻值為20 Ω，15 Ω，10 Ω，5 Ω，兩表測試的數(shù)值分別如圖3，圖4，圖5，圖6所示．

圖3 測量待測電源電動勢和內阻仿真圖(調節(jié)R為0%)

圖4 測量待測電源電動勢和內阻仿真圖(調節(jié)R為25%)

圖5 測量待測電源電動勢和內阻仿真圖(調節(jié)R為50%)

圖6 測量待測電源電動勢和內阻仿真圖(調節(jié)R為75%)

進行上述實驗是一個動態(tài)過程，所以實驗過程中最好提醒學生將數(shù)據(jù)記錄在一個表格中，以便后續(xù)對實驗數(shù)據(jù)進行計算．如表1所示．

表1 不同阻值下對應的測量值

由已知數(shù)據(jù)計算電源電動勢和內阻時，根據(jù)公式E=U+IR2，可以由表1數(shù)據(jù)導出以下4個不同的式子

E=U1+I1R2

E=U2+I2R2

E=U3+I3R2

E=U4+I4R2

代入表1中的數(shù)據(jù)后，可以算出電動勢E=2.9 V，內阻R2=1.8 Ω，從而使待測電源的電動勢和內阻的值得到驗證．經(jīng)過這樣一個簡單的虛擬電路的教學，可以使學生將電源的性質了解得更加透徹，知道我們平時用到的電源本身都有一定的內阻．

2.2 電容器充放電

實例2：在Multisim11中建立如圖7所示的電路，用于演示電容器的充放電過程.

圖7 電容器充放電仿真圖

圖中R1=5 Ω，C1=10 μF，XMM1為萬用表，用于測電容器兩端的電壓，XSC1為示波器，主要用于測量電容器兩端的實時電壓，為了使放電過程更加形象，可以在放電回路中接一個額定電壓為5 V，額定功率為1 W的燈泡X1．根據(jù)燈泡的參數(shù)值可以計算其額定電流和電阻

R1的選取與確定：為了保證燈泡不被燒壞，選取并確定電阻R1=5 Ω．

連接好電路后，首先，將雙擲開關連通電源，對電容器充電，如圖8所示．

圖8 電容器充電圖

此時可以觀察到，電容器兩端的電壓表顯示為5 V，示波器兩端也有5 V的穩(wěn)定電壓，說明電容器兩端迅速被充有等于電源電壓的電壓值，且保持穩(wěn)定．

然后，將雙擲開關連通燈泡，讓電容器放電，如圖9和圖10所示．

圖9 電容器放電過程圖

圖10 電容器放電結束圖

放電過程中，我們可以看到小燈泡會閃爍一次，電容器會將之前儲存的電能釋放出來，在放電回路中電容器相當于一個“快速電池”，電容器兩端的電壓很快從5 V降到零，上述記錄了其中一個過程值，如圖9所示，并且從圖9中可以看出電容器兩端的電壓存在一個短暫的衰減期，至于衰減時間的計算會在大學課程的RC電路中詳細介紹．

為了進一步說明電容器的充放電是兩個相逆過程，可以不斷切換開關，使電容器交替充電、放電．在示波器上可以看到電容器兩端的電壓變化情況，如圖11所示．

圖11 電容器交替進行充、放電圖

由圖11知，通過改變開關的切合情況來控制電容器的充放電情況，從圖中可知，電容器在充電的時候，電壓迅速變?yōu)? V,放電的時候又迅速降為零，兩端的電壓在5 V和零這兩個值之間不斷變化，由此說明電容器的充放電是兩個相逆的過程．

由上述幾步實驗操作，在Multisim11仿真軟件中將電容器的充放電過程用動態(tài)的圖像呈現(xiàn)在學生眼前，使學生真切感受到電容器的工作特性，讓抽象的問題具體化，既讓學生掌握了相關知識，又解決了實驗器材短缺的問題．

3 結束語

目前EDA技術已應用于電子系統(tǒng)的方方面面，Multisim11軟件是用于電子電路設計、仿真、分析、制版的一款優(yōu)異的軟件，利用Multisim11軟件快捷、方便及易學易用的優(yōu)點，在實驗課中合理安排仿真實驗，將對理論課教學，實驗教學都會起到很好的輔助作用．實驗教學中，將動態(tài)電路合理靜態(tài)分析，抽象知識具體化，從而提高學生學習興趣，使學生獲得最佳學習效果．此外，將Multisim11仿真軟件應用于高中物理實驗教學，可以增強學生對電路知識的感性認識；使學生掌握各種儀器的基本使用和電路參數(shù)的測試方法；可以突出教學重點，突破教學難點，通過調試和測量，可以將實驗和理論知識有機地結合起來，加深對理論知識的理解，同時使學生了解電子測量技術的最新發(fā)展．