王巧麗 任新成

(延安大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 陜西 延安 716000)

在國外，最早在教育學(xué)意義上運(yùn)用“情境”的是杜威，他認(rèn)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(xué)物理實驗教學(xué)對于學(xué)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(xué)的效果大打折扣，進(jìn)而影響到物理教學(xué)的成敗．傳統(tǒng)的“電路理論”課程對于理論的講解比較多，概念抽象，學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容缺乏感性認(rèn)識，學(xué)習(xí)起來有難度．Multisim11計算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)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(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)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(shè)計的EDA(Electronic Design Automation，電子設(shè)計自動化)工具軟件，Multisim11先進(jìn)的電路仿真和設(shè)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(jié)合的方式，具有一般Windows應(yīng)用軟件的界面風(fēng)格，操作起來也方便，尤其是多種可放置到設(shè)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(shù)人員的工作習(xí)慣[3]．在中學(xué)階段，物理學(xué)科是大多數(shù)學(xué)生最頭疼的科目之一，學(xué)生普遍感到抽象、枯燥、邏輯性太強(qiáng)．將Multisim11應(yīng)用于高中物理實驗教學(xué)中，可以使教學(xué)過程更加形象、生動，易于學(xué)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(qiáng)大的仿真能力、豐富的測試儀器、完備的分析手段等優(yōu)點(diǎn)，就不僅可以使實驗教學(xué)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(xué)實驗中的一些問題，將電學(xué)實驗展現(xiàn)得淋漓盡致．

2 Multisim11仿真軟件在高中物理電學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 測電源電動勢和內(nèi)阻

測電源電動勢和內(nèi)阻實驗是普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書《物理·選修3-1》中基本而重要的內(nèi)容[4,5]．對于測量方法的選擇，文獻(xiàn)[6]分別從電阻測量誤差分析、電流表內(nèi)外接法選擇依據(jù)、電流表內(nèi)外接法判定條件、測量電阻的功率等方面進(jìn)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(xué)習(xí)如何測量電源電動勢和內(nèi)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(yīng)用于教學(xué)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(nèi)阻．

圖1 測量待測電源電動勢和內(nèi)阻電路圖

打開Multisim11軟件，在元器件庫中調(diào)出所需要的電源、電阻、電壓表、電流表以及開關(guān)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(nèi)阻仿真圖

圖2中R為滑動變阻器，最大阻值為20 Ω，調(diào)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(guān)．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(jìn)，在這里將電動勢約3 V，內(nèi)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(jié)構(gòu)，通過實驗數(shù)據(jù)對電源的電動勢和內(nèi)阻進(jìn)行驗證．

連接好電路后運(yùn)行實驗，依次分別調(diào)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(nèi)阻仿真圖(調(diào)節(jié)R為0%)

圖4 測量待測電源電動勢和內(nèi)阻仿真圖(調(diào)節(jié)R為25%)

圖5 測量待測電源電動勢和內(nèi)阻仿真圖(調(diào)節(jié)R為50%)

圖6 測量待測電源電動勢和內(nèi)阻仿真圖(調(diào)節(jié)R為75%)

進(jìn)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(xué)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(jìn)行計算．如表1所示．

表1 不同阻值下對應(yīng)的測量值

由已知數(shù)據(jù)計算電源電動勢和內(nèi)阻時，根據(jù)公式E=U+IR2，可以由表1數(shù)據(jù)導(dǎo)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(nèi)阻R2=1.8 Ω，從而使待測電源的電動勢和內(nèi)阻的值得到驗證．經(jīng)過這樣一個簡單的虛擬電路的教學(xué)，可以使學(xué)生將電源的性質(zhì)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(nèi)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(guān)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(guān)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(jié)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(dāng)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(xué)課程的RC電路中詳細(xì)介紹．

為了進(jìn)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(guān)，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(jìn)行充、放電圖

由圖11知，通過改變開關(guān)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(xué)生眼前，使學(xué)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(xué)生掌握了相關(guān)知識，又解決了實驗器材短缺的問題．

3 結(jié)束語

目前EDA技術(shù)已應(yīng)用于電子系統(tǒng)的方方面面，Multisim11軟件是用于電子電路設(shè)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(xué)易用的優(yōu)點(diǎn)，在實驗課中合理安排仿真實驗，將對理論課教學(xué)，實驗教學(xué)都會起到很好的輔助作用．實驗教學(xué)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(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生獲得最佳學(xué)習(xí)效果．此外，將Multisim11仿真軟件應(yīng)用于高中物理實驗教學(xué)，可以增強(qiáng)學(xué)生對電路知識的感性認(rèn)識；使學(xué)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(xué)重點(diǎn)，突破教學(xué)難點(diǎn)，通過調(diào)試和測量，可以將實驗和理論知識有機(jī)地結(jié)合起來，加深對理論知識的理解，同時使學(xué)生了解電子測量技術(shù)的最新發(fā)展．