徐佳玉 蔣德瓊

(四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 四川 成都 610101)

實驗是物理學(xué)的基礎(chǔ)，同時實驗教學(xué)在物理課堂中具有舉足輕重的作用.實驗可以幫助學(xué)生獲得直觀體驗，利于學(xué)生從具體到抽象的轉(zhuǎn)化過程.但是，傳統(tǒng)電學(xué)實驗存在以下幾個弊端：第一，電學(xué)實驗停留在十分基礎(chǔ)的簡單的電路連接上，與時代有一定的脫節(jié).第二，教學(xué)器材昂貴，一些教師受到學(xué)校教學(xué)資源的限制，對于部分電學(xué)實驗有一籌莫展的感受，因此只能拿著教材直接傳授學(xué)生知識，而缺乏探究過程，不利于學(xué)生探究能力的發(fā)展；第三，已有的電學(xué)實驗器材功能固化，不利于學(xué)生創(chuàng)造性的發(fā)展.

利用Multisim14.0仿真軟件進(jìn)行仿真實驗則可以解決一些傳統(tǒng)實驗的弊端.第一，仿真軟件可以提供大量的電學(xué)元件，可以滿足高中大部分的電學(xué)實驗測試，學(xué)校則可以減少實驗器材的購買，利用學(xué)校微機(jī)室就可以實現(xiàn)每一位學(xué)生進(jìn)行虛擬實驗仿真.第二，學(xué)生可以分組討論學(xué)習(xí)，但真正實驗時，每位學(xué)生都能參與到實驗中去，這很好地避免了傳統(tǒng)實驗中由于器材缺乏導(dǎo)致學(xué)生動手實驗機(jī)會少的現(xiàn)象.第三，仿真實驗數(shù)據(jù)精度高，可以減少系統(tǒng)誤差，利于學(xué)生獨立地從實驗現(xiàn)象中得出物理規(guī)律.第四，教師可以將實驗過程投影到多媒體教學(xué)設(shè)備的大屏幕上，利于教師在課堂上演示時學(xué)生進(jìn)行觀察，克服傳統(tǒng)演示實驗學(xué)生不易觀察的弊端.第五，學(xué)生可以回家自己做仿真實驗，這利于學(xué)生創(chuàng)造性的發(fā)展.

1 探究二極管的伏安特性曲線

傳統(tǒng)電學(xué)實驗中，并沒有設(shè)置測量二極管伏安特性曲線的實驗，而是測量小燈泡的伏安特性曲線，但是對于實際生活來說，傳統(tǒng)的白熾燈在生活中的使用越來越少，替代它的是發(fā)光二極管，也就是LED燈.但是大部分高中生對LED燈卻了解甚少.這就體現(xiàn)了傳統(tǒng)電學(xué)實驗與時代脫節(jié)的現(xiàn)象.因此，學(xué)生對二極管的伏安特性進(jìn)行深入了解可以促進(jìn)學(xué)生關(guān)注科技進(jìn)步和社會發(fā)展.并且在學(xué)生學(xué)習(xí)了描繪小燈泡的伏安特性曲線后，描繪二極管的伏安特性曲線也有利于學(xué)生知識的遷移.

以二極管的伏安特性曲線為例，仿真實驗與教材拓展知識相結(jié)合，幫助學(xué)生深入理解二極管的特性.首先，在Multisim14.0仿真軟件的元件庫中找到需要的元件：電壓表(indicators→voltmeter→voltmeter_V)、電流表(indicators→ammeter→ammeter_H)、滑動變阻器(basic→potentiometer→2k)、開關(guān)(basic→switch→dipsw1)、直流穩(wěn)壓電源(sources→power_sources→dc_power).按需求連接好電路，如圖1所示.

圖1 連接電路圖

點擊運(yùn)行后，通過調(diào)節(jié)滑動變阻器的值，改變二極管的正向電壓，讀出對應(yīng)二極管兩端的電壓值和通過二極管的電流值，記錄在表格中，并觀測二極管的亮滅情況.實驗完成后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表格中，如圖2所示，利用Excel的繪圖功能得出二極管正向伏安特性曲線，如圖3所示.由圖3可見，發(fā)光二極管的伏安特性曲線是一條平滑的曲線，因此發(fā)光二極管是非線性元件.

圖2 Excel數(shù)據(jù)表格

圖3 二極管正向伏安特性曲線

測出二極管正向伏安特性曲線后，將二極管反向連接即可得出二極管反向伏安特性曲線.

2 探究變壓器的電壓與匝數(shù)的關(guān)系

在選修3-2第二章中，第4節(jié)電容器在交流電路中的作用、第5節(jié)電感器在交流電路中的作用、第6節(jié)變壓器等3節(jié)的知識都可用Multisim14.0進(jìn)行仿真實驗.本文以需要進(jìn)行量化分析的第6節(jié)變壓器為例.教材中提到的變壓器多為理想變壓器，那么要從實際實驗中得到一種理想的結(jié)論基本是不容易實現(xiàn)的.在實際教學(xué)中，很多學(xué)校會因為實驗器材不足，或?qū)嶒炚`差大導(dǎo)致有些教師直接不做這個實驗.因此，采用實驗仿真的方式，教師將實驗過程投影到多媒體教學(xué)設(shè)備的大屏幕上，便于學(xué)生觀察.并且仿真實驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、誤差小，也利于學(xué)生自己得出變壓器的電壓與匝數(shù)的關(guān)系.仿真實驗為教學(xué)提供了一種理想的條件，可多次實驗，并且實驗結(jié)果相同.這就十分有利于教師向?qū)W生講解理想變壓器的相關(guān)知識.

圖4 Multisim14.0仿真結(jié)果

仿真實驗結(jié)果顯示，副線圈電壓有效值為2.8 V，正好為原線圈電壓有效值的一半，符合理想變壓器工作原理，那么學(xué)生通過對仿真實驗的觀察，要得出理想變壓器的電壓與匝數(shù)的關(guān)系就很容易了.

3 探究自感現(xiàn)象

選修3-2第一章第6節(jié)自感，本節(jié)中含有對通電時自感和斷電時自感的演示實驗.按照課標(biāo)要求，學(xué)生通過觀察通電時自感現(xiàn)象和斷電時自感現(xiàn)象，利用電磁感應(yīng)相關(guān)知識對自感現(xiàn)象進(jìn)行分析.通過仿真實驗，教師將實驗過程在多媒體大屏幕上展示，利于全班學(xué)生觀察.本文以通電時的自感現(xiàn)象為例.

首先從元件庫中找出所需元件：燈泡2只(indicators→lamp→5V_1W)、滑動變阻器2個(basic→potentiometer→1k)、電感1個(basic→inductor→1n)、直流穩(wěn)壓電源(sources→power_sources→dc_power)、開關(guān)(basic→switch→dipsw1).

按照教材上的方法連接好電路，修改滑動變阻器、電源、電感的值，調(diào)節(jié)好后，仿真結(jié)果如圖5和圖6所示.剛開始只有燈泡X1亮，如圖5所示，幾秒鐘后燈泡X1和X2都亮，如圖6所示.這是因為接通電源瞬間此支路電流突然增大時，根據(jù)楞次定律，穿過線圈自身磁通量的變化產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢會阻礙電流的增加，所以通過X2的電流會逐漸增加，X2才會比X1稍后亮起來.

圖5 燈泡X1亮

圖6 燈泡X1和X2都亮

4 總結(jié)

除了上面提到的幾個例子可以利用仿真實驗來進(jìn)行教學(xué)外，選修3-2第二章中，第4節(jié)電容器在交流電路中的作用、第5節(jié)電感器在交流電路中的作用，第三章傳感器的第4節(jié)簡單光控電路和溫控電路也可以利用此方法，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的同時體會電子工程師的設(shè)計工作，增強(qiáng)物理學(xué)習(xí)與生活生產(chǎn)實際的聯(lián)系.選修3-1中第二章歐姆定律，電阻的串聯(lián)、并聯(lián)及其應(yīng)用，邏輯電路和控制電路等都可利用仿真實驗進(jìn)行教學(xué).仿真實驗提供了一種更理想、更簡單、更節(jié)約成本的教學(xué)手段，不僅有利于教師課上的講解，更有利于學(xué)生體會探究過程，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性.