Edison軟件在高中物理電學實驗中的應用

文/李心誠

Edison軟件在高中物理電學實驗中的應用

文/李心誠

人教版高中物理教材中的“恒定電流”和 “交變電流”兩個章節，都涉及有重要的物理實驗，如測量電池的電動勢和內阻、測量二極管的正反向電阻、電感和電容對交變電流的影響等。有些學校由于教學實驗經費或對物理的不重視等問題，面臨物理實驗室的缺乏，有的即使配有實驗室，因避免學生損壞實驗設備，通常只是老師在講臺上演示一下，這就使得學生對物理實驗的感性認知、操作能力嚴重缺乏。鑒于此，由匈牙利DesignSoft公司推出的Edison軟件提供了高逼真和強大的電學實驗功能。同學們可以直接在該仿真軟件上完成電學實驗的搭建、數據讀取和燈泡亮暗變化的觀察，其優良的聲光動畫效果能激發同學們的學習物理興趣，變枯燥為有趣，在輕松的氛圍下完成實驗。如果學生在實驗操作中不慎損毀元器件，軟件能自動修復，避免了損失，節約了實驗教學經費，提高了實驗效率。

1 Edison軟件的特點介紹

1.1 軟件界面的組成

該軟件由雙操作視窗構成，左視窗是具有逼真三維效果的“實驗室”，實驗室中間的桌面類似于實驗臺，左上角區域用來存放實驗用元器件及儀器，包括：交、直流電源、電阻、電位器、滑動變阻器、電感、電容、小電機、揚聲器、示波器、二極管、三極管及常用數字電路芯片等，右下方區域是開關及儀表區，包括各類常用的開關、電流表、電壓表、歐姆表、數字萬用表等測量儀器。右視窗是電路圖分析與編輯窗口，當在左邊界面放置實物時，右邊窗口會出現與左邊實物相對應的電氣符號。

1.2 仿真效果逼真

當加在燈泡上的電壓超過其額定電壓時，燈泡在爆裂的同時，通過聲效能聽到爆裂聲；電路中燈泡的亮度會隨著外加電壓的變化而變化；發光二極管在正向導通時能被點亮；調整通過電動機的電流，可以觀察到其轉速的明顯變化，改變電流方向可實現轉向的改變，而且通過音響還可以聽見電機運轉的聲音；改變電阻值的大小，電阻標識的彩色條碼會自動改變；斷開閉合開關時能清晰地聽到“嗒”的聲音。總之逼真的仿真功能使同學們有置身于實驗室的效果。

2 Edison軟件應用于高中物理電學實驗

2.1 測定電池的電動勢和內阻

按照測定電池的電動勢和內阻的實驗要求，電源電動勢E、內電阻r與路端電壓U、電流I的關系為：E=U+Ir，只要測出U和I的值，就能測定電源的電動勢E和內阻r。首先要搭建電路，將電路中所需元件及電壓表、電流表放置桌面，用鼠標連線，注意開關處于“斷開”狀態，滑動變阻器的阻值處于最大值，電流表測量通過滑動變阻器的電流I，電壓表測量滑動變阻器兩端的電壓U。因軟件中的電源是理想電源，在設計實驗電路時將一小電阻與理想電源串聯后等效于實際電壓源，連接后的電路如圖1所示。閉合開關，把電壓值和電流值記錄在預先繪制的表格中，調節滑動變阻器使阻值變小，再次記錄電壓值與電流值，通過該實驗可記錄多組實驗數據，對于求出的若干組E和r，最后以E的平均值和r的平均值作為實驗結果。軟件中的電流表和電壓表有正負極，如果接反了其讀數前會顯示“-”。該實驗可以改變理想電源和其串聯電阻R1的阻值，再次進行測量。

圖1 測定電池的電動勢和內阻實驗

2.2 測量二極管的正反向電阻

二極管是一種半導體元件，它的特點是電流從正極流入時電阻比較小，而從負極流入時電阻比較大。當多用電表調至歐姆檔使用時，電表內部的電源接通，電流從歐姆表的黑表筆流出，經過被測電阻，從紅表筆流入。測量二極管正向電阻時，將黑表筆與二極管正極相連，紅表筆與二極管負極相連；測量二極管反向電阻時，將黑表筆與二極管負極相連，紅表筆與二極管正極相連，如圖2所示。從圖2中萬用表歐姆檔的示數可以看出，二極管正向電阻很小，反向電阻很大。利用該特點也可以對標識模糊的二極管進行正負極的判斷。方法是分別對二極管正反向測量其阻值，如兩次阻值都很大說明管子已損壞，若一次阻值較大一次阻值較小，則說明二極管是好的，且阻值較小那次測量時黑表筆連接的那個極即為二極管的正極。

圖2 測量二極管的正反向電阻實驗

2.3 電感對交、直流電路的作用

在Edison軟件中分別搭建如圖3所示的電路。圖3中所示直流電路中，當電源電壓一定時，此時電感相當于短路，對電流沒有阻礙作用；但在交流電路中，電感對交變電流有阻礙作用。圖3中直流電路中電源電壓為1.5V，此時額定電壓為1.5V的燈泡點亮。交流電路中，交流電設置為幅值5.5V，頻率400Hz，將相同參數的電感和燈泡串接于電路中，觀察到直流電路中的燈泡較交流電路中的亮，說明電感對交流電流有阻礙作用，利用該軟件能非常直觀地觀察到該實驗現象。也可以改變電感的自感系數及交變電的頻率，比較這兩個參數對交變電流的影響。

圖3 電感對交、直流電路的作用實驗

3 結語

Edison軟件的3D仿真效果及科學的電學特性，使學生完成高中物理電學實驗更方便、有趣和形象，學生通過自主搭建的電路實驗取得有效的感性認知，激發了學習興趣，獲得很好的知識獲取效果，而且該軟件中還包含有其他的電子元器件和儀表，比如利用數字芯片可以進行物理選修3-1中“簡單邏輯電路”部分的實驗仿真；也可以利用軟件中的示波器觀察物理選修3-2中“交變電流”的電壓電流波形顯示。當然，仿真實驗畢竟不同于實物實驗，只有將兩種實驗過程協調進行，相輔相成，才能使教師的教學效果和學生的學習效果達到最佳。

（作者單位：南京市田家炳高級中學）