段娟娟 王祥委 彭朝陽

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 云南 昆明 650500)

Multisim在中學(xué)物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用*

段娟娟 王祥委 彭朝陽

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 云南 昆明 650500)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，電路仿真軟件已經(jīng)發(fā)展為電路仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助手段，運(yùn)用仿真軟件輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，具有完整、實(shí)用、直觀、方便、安全等優(yōu)點(diǎn)，本文通過實(shí)例展示了Multisim仿真軟件在中學(xué)物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用.

中學(xué)物理 實(shí)驗(yàn)Multisim

1 引言

實(shí)驗(yàn)是中學(xué)物理課程的重要組成部分，是連接理論知識(shí)與實(shí)踐應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)．在物理學(xué)中，許多規(guī)律、定律都是從實(shí)驗(yàn)中得出的，通過實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)學(xué)生的觀察、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，以及科學(xué)的思維，分析、處理問題能力．筆者在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在著以下一些問題：

(1)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的限制．傳統(tǒng)的電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)占有很大的比重，教師在課前把實(shí)驗(yàn)儀器準(zhǔn)備好，課堂上學(xué)生只要按部就班的操作即可完成實(shí)驗(yàn)．雖然這種形式單一的實(shí)驗(yàn)可以加深學(xué)生對(duì)基本電路的理解，但是不利于學(xué)生的個(gè)性發(fā)展，使學(xué)生思維局限，缺乏創(chuàng)新能力．

(2)實(shí)驗(yàn)時(shí)間的限制．課堂時(shí)間是有限的，對(duì)于一些復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，在有限的時(shí)間內(nèi)要學(xué)生按時(shí)、按質(zhì)、按量的完成電路的連接、調(diào)試和參數(shù)的測量是很難的，因此往往出現(xiàn)數(shù)據(jù)少等問題，導(dǎo)致課后學(xué)生不能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行全面分析，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)論的得出．

在電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入Multisim仿真軟件，突破實(shí)驗(yàn)時(shí)間和空間的限制，有效地輔助解決傳統(tǒng)電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的以上問題．本文以歐姆定律的驗(yàn)證和測量小燈泡電功率為例，闡述了Multisim軟件在中學(xué)物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用．

2 Multisim簡介

這里介紹的Multisim是加拿大圖像交互技術(shù)公司(InteractiveImageTechnology,IIT)推出的Windows環(huán)境下的電路仿真軟件，是廣泛應(yīng)用的EWB的升級(jí)版[1]．它包含了電路硬件描述語言輸入和電路原理圖的圖形輸入方式，具有豐富的仿真分析能力，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作．通過Multisim軟件能夠?qū)崿F(xiàn)從理論到原理圖設(shè)計(jì)與仿真，再到原型設(shè)計(jì)和測試，形成一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程．

2007年初，美國NI公司下屬的ElectronicsWorkbenchGroup推出了最新的NIMultisim10版本[2]．使用Multisim10可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)和虛擬實(shí)驗(yàn)，與傳統(tǒng)的電子電路設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方法相比較，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)兩者可以同步進(jìn)行，可以一邊設(shè)計(jì)一邊實(shí)驗(yàn)，修改調(diào)試方便；

(2)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)用的測試儀器儀表和元器件齊全，可以實(shí)現(xiàn)各種類型的電路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)；

(3)對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行測試和分析更加方便；

(4)可以直接打印和輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、測試參數(shù)以及曲線和電路原理圖；

3 Multisim在中學(xué)物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 歐姆定律的驗(yàn)證

歐姆定律是19世紀(jì)20年代德國物理學(xué)家歐姆研究電流跟電阻和電壓之間的關(guān)系時(shí)，通過大量實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)大多數(shù)導(dǎo)體而言：導(dǎo)體中的電流，跟導(dǎo)體兩端的電壓成正比，跟導(dǎo)體的電阻成反比．公式為

(1)

當(dāng)R不變U改變時(shí)，I與U成正比；當(dāng)U不變R改變時(shí)，I與R成反比．其電路圖如圖1所示．

圖1 歐姆定律實(shí)驗(yàn)電路圖

在Multisim10中改進(jìn)實(shí)驗(yàn)電路圖后可實(shí)現(xiàn)在一個(gè)電路中通過改變開關(guān)連接不同的電路從而達(dá)到驗(yàn)證歐姆定律的目的．打開Multisim10界面，從電源庫、元件庫等庫中調(diào)出所需的電源、電阻、電流表和電壓表，以及開關(guān)等元件,連接電路．

圖2 歐姆定律實(shí)驗(yàn)電路圖

其中U1為電壓表，U2為電流表，J1為開關(guān)，R1和R2均為阻值為1 kΩ的滑動(dòng)變阻器，R3和R4為阻值為20 Ω的定值電阻．

運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，首先將開關(guān)撥向1，然后調(diào)節(jié)R2=0 Ω，通過調(diào)節(jié)R1的大小改變U1的大小即R總=(R2+R4)兩端的電壓的大?。{(diào)節(jié)R1得出幾組電壓與電流的具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可驗(yàn)證：R不變U改變時(shí)，I與U成正比．

圖3 歐姆定律實(shí)驗(yàn)電路圖(調(diào)節(jié)R1為25%)

圖4 歐姆定律實(shí)驗(yàn)電路圖(調(diào)節(jié)R1為50%)

圖5 歐姆定律實(shí)驗(yàn)電路圖(調(diào)節(jié)R1為75%)

將開關(guān)撥向2，通過調(diào)節(jié)R2的大小改變接入電路中總電阻(R2+R4)的大小，此時(shí)總電阻兩端的電壓大小為電源電壓，始終不變．調(diào)節(jié)R2得出幾組電流的具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過接入R2的百分比計(jì)算可得R2的大小，進(jìn)而可得出總電阻的大小，可驗(yàn)證：當(dāng)U不變R改變時(shí)，I與R成反比．

圖6 歐姆定律實(shí)驗(yàn)電路圖(調(diào)節(jié)R2為10%)

圖7 歐姆定律實(shí)驗(yàn)電路圖(調(diào)節(jié)R2為25%)

圖8 歐姆定律實(shí)驗(yàn)電路圖(調(diào)節(jié)R2為50%)

在實(shí)驗(yàn)測量時(shí)，采用的虛擬電壓表的內(nèi)阻非常大，電流表的非常小，測量時(shí)可不考慮其內(nèi)阻的影響，但在實(shí)際中，需考慮其內(nèi)阻的影響，測量時(shí)需注意電流表內(nèi)接和外接．另外在實(shí)驗(yàn)過程中，注意引導(dǎo)學(xué)生利用控制變量法來研究物理問題，這將有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)，扭轉(zhuǎn)“重結(jié)論，輕過程”的傾向，使學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)．

3.2 測量小燈泡的電功率

電功率表示電流做功的快慢，如何測量小燈泡的電功率是電功率知識(shí)的應(yīng)用．在學(xué)習(xí)了電功率知識(shí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，加深學(xué)生對(duì)電功率知識(shí)的理解與掌握．在實(shí)際教學(xué)中，為了更好地進(jìn)行教學(xué)，教師適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)電功率的計(jì)算公式

進(jìn)行分析，得出本次實(shí)驗(yàn)中需要測量的物理量分別為用電器兩端的電壓U和電流I，進(jìn)而確定電路中所需儀器以及實(shí)驗(yàn)基本原理，之后由學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)原理圖如圖9所示．利用Multisim仿真的實(shí)驗(yàn)電路圖如圖10所示.

圖9 測量小燈泡的電功率

在實(shí)驗(yàn)過程中教師可根據(jù)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度適當(dāng)增加教學(xué)內(nèi)容．可引入功率表即瓦特表(Wattmeter)，引入此表加入電路圖中可直接得到所測電器的電功率，學(xué)生可對(duì)比根據(jù)圖10中計(jì)算得出的結(jié)果和圖11中直接測得的功率值是否一致．

圖10中根據(jù)計(jì)算公式得P=2.910 993 32 W，與圖11中P=2.911 W對(duì)比可知兩種實(shí)驗(yàn)方法得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論都是正確的．

圖11 用功率表測量小燈泡的電功率實(shí)驗(yàn)電路圖

4 結(jié)束語

將Multisim10仿真軟件引入到電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，一方面能夠豐富傳統(tǒng)的理論授課內(nèi)容，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足之處，進(jìn)而提高課堂教學(xué)的效率，使傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式發(fā)生改變．從驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)向設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變，使實(shí)驗(yàn)課生動(dòng)有趣[3]．另一方面，學(xué)生可以利用Multisim10中充足的虛擬儀器和元件資源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，拓寬實(shí)踐領(lǐng)域，進(jìn)一步促成自我創(chuàng)新能力的培養(yǎng)．Multisim在電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中表現(xiàn)出了較強(qiáng)的優(yōu)勢，但在實(shí)際教學(xué)中不能取代實(shí)際實(shí)驗(yàn)，只有將Multisim仿真實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)的電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來，取長補(bǔ)短，才能更好地滿足現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求．

1 馬向國,劉同娟,陳軍.MATLAB& Multisim電工電子技術(shù)仿真應(yīng)用.北京:清華大學(xué)出版社,2013.129～131.

2 程勇. 實(shí)例講解Multisim 10電路仿真.北京:人民郵電出版社,2010.5～7.

3 曳永芳,行小帥,景彥君. Multisim 10仿真軟件在電子線路教學(xué)中的應(yīng)用.中國現(xiàn)代教育裝備,2010(11):56～58

*2017年度云南省教育廳科學(xué)研究研究生項(xiàng)目“基于信息技術(shù)對(duì)高中物理實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新研究”，項(xiàng)目編號(hào)：2017TYS046；云南師范大學(xué)研究生科研創(chuàng)新基金，項(xiàng)目編號(hào)：yjs201667；本文為兩項(xiàng)目的研究成果.

段娟娟(1994- )，女，在讀碩士研究生.

彭朝陽(1971- )，男，博士，教授，研究方向物理課程教學(xué).

2017-01-01)