Multisim仿真軟件在高中物理教學中的應用
——以“簡單的邏輯電路”為例

孫建朋 鮑瑩瑩

(1. 南京師范大學物理科學與技術學院，江蘇 南京 210023；2. 南京師范大學教育科學學院，江蘇 南京 210097)

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Multisim仿真軟件在高中物理教學中的應用
——以“簡單的邏輯電路”為例

孫建朋1鮑瑩瑩2

(1. 南京師范大學物理科學與技術學院，江蘇 南京 210023；2. 南京師范大學教育科學學院，江蘇 南京 210097)

隨著信息技術的飛速發展，越來越多的計算機軟件被應用到教學活動中.筆者以“簡單的邏輯電路”為例，嘗試將電學仿真軟件Multisim 14.0應用到高中物理教學中.

高中物理;簡單邏輯電路;Multisim仿真軟件

Multisim是一款專業的電學仿真軟件，它擁有豐富的庫元件和測量儀器工具，其元件和測量儀器的屬性還可以由用戶設置，如可以設置電阻的某個引腳為開路，從而有助于學生對電路中故障現象的深入分析.筆者以“簡單的邏輯電路”為例，嘗試將電學仿真軟件Multisim 14.0應用到高中物理教學中.

1 教材分析

本節教學的主要內容是“與”門、“或”門以及“非”門這三種基本邏輯電路的含義、作用以及簡單應用.

本節教學重點是“與”門、“或”門以及“非”門這三種基本邏輯電路的含義、作用以及應用它們進行簡單邏輯電路的設計.教學難點是理解“與”門、“或”門以及“非”門這三種基本邏輯電路的工作特性.

2 教學目標

2.1 知識與技能

(1) 理解“與”門、“或”門以及“非”門這三種基本邏輯電路的概念以及作用.

(2) 能應用“與”門、“或”門以及“非”門電路設計簡單的電路.

2.2 過程與方法

(1) 通過觀察具有邏輯關系的電路圖，理解門電路的含義及其作用.

(2) 通過對例題中門電路的分析，掌握分析數字電路中門電路的基本方法.

2.3 情感、態度與價值觀

(1) 關心和觀察現實生活中應用邏輯電路的具體場合.

(2) 了解集成電路的發展現狀，感受現代電子技術在生產、生活中的作用.

3 教學過程

3.1 課堂導入

在日常生活中我們經常會接觸到許多便攜式的電子產品，比如智能手機、平板電腦、筆記本電腦等.這些電子產品都是基于現代信息技術而設計出來的，它們內部處理的主要都是數字信號.物理學將電信號分為兩種，一種是模擬信號，另一種則是數字信號(如圖1)，模擬信號具有一種連續“漸變”的特征，數字信號則是具有躍變的特征.

圖1

引導學生觀察圖1，觀察并分析模擬信號和數字信號的特征.

數字信號是由數字電路來負責處理的.而數字電路處理數字信號的本質是表示一種邏輯關系.所以，數字電路又稱為邏輯電路.最簡單的邏輯電路表示的邏輯關系就像一扇門一樣，它允許一個信號通過或者禁止通過，因此邏輯電路也稱為門電路，本節課我們就一起來學習“簡單的邏輯電路”.

3.2 “與”門電路

請同學們觀察圖2，嘗試分析電路中的開關A、開關B以及燈泡L三者之間是怎樣的邏輯關系.

圖2 “與”邏輯電路

學生觀察電路圖并相互交流，經過分析后可以很容易得出相應的結論.

電路圖中的開關A、開關B和燈泡組成的是串聯電路，因此只有當兩個開關全部閉合時，燈泡才會被點亮.把電路圖中的開關A、開關B全部閉合稱為條件，燈泡被點亮稱為結果.如果一個事件的幾個條件都滿足后，該事件才能發生，我們把這種關系叫做“與”邏輯.那么具有“與”邏輯關系的電路稱為“與”電路，簡稱為“與”門.

一個開關有通、斷兩種工作狀態，那么圖2電路圖中的開關總共可以組合成4種情況(如表1).

表1 “與”邏輯電路的條件與結果

如果把開關導通時有電壓輸入的狀態設定為1，把開關斷開時無電壓輸入的狀態設定為0；那么相應地把燈泡熄滅時沒有電壓輸出的狀態設定為0，燈泡點亮時有電壓輸出的狀態設定為1.那么可以把表1對應的各種情況轉換成以數字形式來表現各種控制條件和結果的關系，如表2所示，這種表格也稱為真值表.

表2 “與”門真值表

圖3和圖4分別是中國標準和美國標準的“與”門電路符號.

我們用Multisim仿真軟件演示一個“與”門功能的實驗，在圖5所示的仿真電路圖中，右上側的元器件是“與”門，它有兩個輸入端A和B以及一個輸出端Y，輸出端接一個數字電壓表，用來觀察“與”門輸出電壓的大小.左邊的兩個器件是信號源，當“與”門輸入端連接到電源端正極有輸入電壓時設定輸入為1，連接到電源端負極沒有電壓輸入時設定輸入為0.在實驗的時候，我們分別斷開和閉合開關，可以發現，只有當A和B輸入端同時輸入為1時，在輸出端才會有電壓輸出，否則輸出的電壓始終是0伏.

圖5

3.3 “或”門電路

請同學們觀察圖6，嘗試分析電路圖中的開關A、開關B以及燈泡L三者之間是怎樣的邏輯關系.

圖6

圖6中的開關A、開關B和燈泡組成的是并聯電路，因此兩個開關中只要有一個閉合時，燈泡就會被點亮.把電路圖中的開關閉合稱為條件，燈泡被點亮稱為結果.如果一個事件的幾個條件中，有一個得到滿足該事件就會發生，我們把這種關系叫做“或”邏輯.那么把具有“或”邏輯關系的電路稱為“或”電路，簡稱為“或”門.

圖6中的開關總共可以組合成4種情況，我們把這4種情況以及每種情況對應燈泡的點亮和熄滅都列在了一個表格中(如表3).

表3 “或”邏輯電路的條件與結果

把開關導通時有電壓輸入的狀態設定為1，開關斷開時沒有電壓輸入的狀態設定為0；那么相應地把燈泡熄滅時沒有電壓輸出的狀態設定為0，把燈泡點亮時有電壓輸出的狀態設定為1.那么可以把表3對應的各種情況轉換成以數字的形式來表現各種控制條件和結果的關系(如表4).

表4 “或”門真值表

圖7和圖8分別是中國標準和美國標準的“或”門電路符號.

用Multisim演示一個“或”門功能的實驗，在圖9所示的仿真電路中，右上側的元件是“或”門，它有兩個輸入端A和B以及一個輸出端Y，輸出端連接著一個數字電壓表，用來觀察“或”門輸出電壓的大小.左邊的兩個器件是信號源，當“或”門輸入端連接到電源端正極有電壓輸入時設定輸入為1，連接到電源端負極沒有電壓輸入時設定輸入為0.在實驗時，我們分別斷開和閉合開關，可以發現，只要當A和B輸入端中有一個輸入為1時，輸出端就會有電壓輸出；而只有當A和B兩個輸入端輸入都是0時，輸出端的電壓才是0伏.

圖9

3.4 “非”門電路

請同學們觀察圖10，嘗試分析開關A、開關B以及燈泡L三者之間是怎樣的邏輯關系.

圖10

通過前面“與”門和“或”門電路的分析，學生會采用相同的方法，通過相互之間交流和討論，得出相應的結論.

圖10中的開關A和燈泡組成的是并聯電路，我們可以采用前面研究門電路的方法來繼續分析這個電路.開關的通斷是控制的條件，即輸入；燈泡亮熄是控制的結果，即輸出.在之前的學習中，我們習慣于“開關閉合，燈泡亮”以及“開關斷開，燈泡熄”.而在現在的這個電路中只要開關閉合，燈泡就會因為被短路而熄滅；而只有當開關斷開時，燈泡才會被點亮.

如果把開關閉合時有電壓輸入的狀態設定為1，開關斷開時無電壓輸入時設定為0.那么相應的燈泡熄滅時無電壓輸出的狀態則是0，燈泡點亮時有電壓輸出的狀態則是1.因此，對于圖10的電路，我們用數學的方式來表示它們之間的邏輯關系，當開關閉合輸入為1時，燈泡熄滅輸出為0；當開關斷開時輸入為0時，燈泡熄滅輸出為1.像這樣輸出狀態與輸入狀態相反的邏輯關系，叫做“非”邏輯關系，具有“非”邏輯關系的電路叫做“非”門，表,5是“非”門的真值表.

表5 “非”門真值表

圖11和圖12分別是中國標準和美國標準的“非”門電路符號.

3.5 門電路在一般電路中的功能分析

例：圖13是一個火警報警裝置的邏輯電路圖.Rt是熱敏電阻，低溫時電阻值很大，高溫時電阻值很小，R是阻值較小的可調電阻.

(1) 要做到平時電鈴不響，而火警時電鈴由于高溫響起，在圖中的虛線圓內應該接入怎樣的元件？

(2) 為什么溫度高時電鈴會被接通？

(3) 為了提高電路的靈敏度，即要把報警溫度調得較低，R的值應該大一些還是小一些？

圖13

在沒有發生火災時，由于熱敏電阻Rt比電阻R大，因此X點為高電壓，電鈴不響；而發生火災時，熱敏電阻Rt阻值變得很小，此時X點為低電壓，電鈴響.這樣的電路關系正好符合“非”邏輯.

可用Multisim來仿真例題中的電路，用一個可調電阻模擬熱敏電阻，用蜂鳴器模擬電鈴(如圖14).可以知道使用“非”門可以很好地實現題干要求的火警報警功能，如果為了提高電路的靈敏度，希望把報警的溫度調得較低些，即在較低溫度的時候，“非”門電路可以輸出1，即高電壓，從而使電鈴導通，那么就應該使“非”門的輸入信號在溫度較低的時候輸入為0，即低電壓.根據歐姆定律，調大電阻R,就可以讓“非”門的輸入信號在較低溫度時輸入為低電壓.

圖14

朱建廉.關于“簡單的邏輯電路”教學要求的研究[J].物理教師,2008,29(6).