Multisim在中學物理電學實驗教學中的應用*

段娟娟 王祥委 彭朝陽

(云南師范大學物理與電子信息學院 云南 昆明 650500)

Multisim在中學物理電學實驗教學中的應用*

段娟娟 王祥委 彭朝陽

(云南師范大學物理與電子信息學院 云南 昆明 650500)

隨著計算機技術的飛速發展，電路仿真軟件已經發展為電路仿真技術的實驗教學輔助手段，運用仿真軟件輔助實驗教學，具有完整、實用、直觀、方便、安全等優點，本文通過實例展示了Multisim仿真軟件在中學物理電學實驗教學中的應用.

中學物理 實驗Multisim

1 引言

實驗是中學物理課程的重要組成部分，是連接理論知識與實踐應用的重要環節．在物理學中，許多規律、定律都是從實驗中得出的，通過實驗可以培養學生的觀察、實驗能力，以及科學的思維，分析、處理問題能力．筆者在教學實踐中發現傳統的電學實驗教學存在著以下一些問題：

(1)實驗內容的限制．傳統的電學實驗教學中，驗證性實驗占有很大的比重，教師在課前把實驗儀器準備好，課堂上學生只要按部就班的操作即可完成實驗．雖然這種形式單一的實驗可以加深學生對基本電路的理解，但是不利于學生的個性發展，使學生思維局限，缺乏創新能力．

(2)實驗時間的限制．課堂時間是有限的，對于一些復雜的實驗，在有限的時間內要學生按時、按質、按量的完成電路的連接、調試和參數的測量是很難的，因此往往出現數據少等問題，導致課后學生不能對實驗結果進行全面分析，影響實驗結論的得出．

在電學實驗教學中引入Multisim仿真軟件，突破實驗時間和空間的限制，有效地輔助解決傳統電學實驗教學中存在的以上問題．本文以歐姆定律的驗證和測量小燈泡電功率為例，闡述了Multisim軟件在中學物理電學實驗教學中的應用．

2 Multisim簡介

這里介紹的Multisim是加拿大圖像交互技術公司(InteractiveImageTechnology,IIT)推出的Windows環境下的電路仿真軟件，是廣泛應用的EWB的升級版[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，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作．通過Multisim軟件能夠實現從理論到原理圖設計與仿真，再到原型設計和測試，形成一個完整的綜合設計流程．

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可以實現計算機仿真設計和虛擬實驗，與傳統的電子電路設計和實驗方法相比較，具有以下優點：

(1)設計與實驗兩者可以同步進行，可以一邊設計一邊實驗，修改調試方便；

(2)設計和實驗用的測試儀器儀表和元器件齊全，可以實現各種類型的電路設計與實驗；

(3)對電路參數進行測試和分析更加方便；

(4)可以直接打印和輸出實驗數據、測試參數以及曲線和電路原理圖；

3 Multisim在中學物理電學實驗教學中的應用

3.1 歐姆定律的驗證

歐姆定律是19世紀20年代德國物理學家歐姆研究電流跟電阻和電壓之間的關系時，通過大量實驗，發現對大多數導體而言：導體中的電流，跟導體兩端的電壓成正比，跟導體的電阻成反比．公式為

(1)

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

圖1 歐姆定律實驗電路圖

在Multisim10中改進實驗電路圖后可實現在一個電路中通過改變開關連接不同的電路從而達到驗證歐姆定律的目的．打開Multisim10界面，從電源庫、元件庫等庫中調出所需的電源、電阻、電流表和電壓表，以及開關等元件,連接電路．

圖2 歐姆定律實驗電路圖

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

運行實驗，首先將開關撥向1，然后調節R2=0 Ω，通過調節R1的大小改變U1的大小即R總=(R2+R4)兩端的電壓的大?。{節R1得出幾組電壓與電流的具體實驗數據，可驗證：R不變U改變時，I與U成正比．

圖3 歐姆定律實驗電路圖(調節R1為25%)

圖4 歐姆定律實驗電路圖(調節R1為50%)

圖5 歐姆定律實驗電路圖(調節R1為75%)

將開關撥向2，通過調節R2的大小改變接入電路中總電阻(R2+R4)的大小，此時總電阻兩端的電壓大小為電源電壓，始終不變．調節R2得出幾組電流的具體實驗數據，通過接入R2的百分比計算可得R2的大小，進而可得出總電阻的大小，可驗證：當U不變R改變時，I與R成反比．

圖6 歐姆定律實驗電路圖(調節R2為10%)

圖7 歐姆定律實驗電路圖(調節R2為25%)

圖8 歐姆定律實驗電路圖(調節R2為50%)

在實驗測量時，采用的虛擬電壓表的內阻非常大，電流表的非常小，測量時可不考慮其內阻的影響，但在實際中，需考慮其內阻的影響，測量時需注意電流表內接和外接．另外在實驗過程中，注意引導學生利用控制變量法來研究物理問題，這將有利于培養學生的科學素質，扭轉“重結論，輕過程”的傾向，使學生學會學習．

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的應用．在學習了電功率知識的基礎上，進行實驗，使理論與實驗相結合，加深學生對電功率知識的理解與掌握．在實際教學中，為了更好地進行教學，教師適當引導學生對電功率的計算公式

進行分析，得出本次實驗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，進而確定電路中所需儀器以及實驗基本原理，之后由學生自主完成實驗．實驗原理圖如圖9所示．利用Multisim仿真的實驗電路圖如圖10所示.

圖9 測量小燈泡的電功率

在實驗過程中教師可根據學生對知識的掌握程度適當增加教學內容．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，學生可對比根據圖10中計算得出的結果和圖11中直接測得的功率值是否一致．

圖10中根據計算公式得P=2.910 993 32 W，與圖11中P=2.911 W對比可知兩種實驗方法得出的實驗結論都是正確的．

圖11 用功率表測量小燈泡的電功率實驗電路圖

4 結束語

將Multisim10仿真軟件引入到電學實驗教學，一方面能夠豐富傳統的理論授課內容，彌補傳統實驗教學的不足之處，進而提高課堂教學的效率，使傳統實驗教學的模式發生改變．從驗證型實驗向設計性和綜合性實驗轉變，使實驗課生動有趣[3]．另一方面，學生可以利用Multisim10中充足的虛擬儀器和元件資源進行實驗設計，拓寬實踐領域，進一步促成自我創新能力的培養．Multisim在電學實驗教學中表現出了較強的優勢，但在實際教學中不能取代實際實驗，只有將Multisim仿真實驗和傳統的電學實驗教學有機地結合起來，取長補短，才能更好地滿足現代實驗教學的要求．

1 馬向國,劉同娟,陳軍.MATLAB& Multisim電工電子技術仿真應用.北京:清華大學出版社,2013.129～131.

2 程勇. 實例講解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中的應用.中國現代教育裝備,2010(11):56～58

*2017年度云南省教育廳科學研究研究生項目“基于信息技術對高中物理實驗的改進與創新研究”，項目編號：2017TYS046；云南師范大學研究生科研創新基金，項目編號：yjs201667；本文為兩項目的研究成果.

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.

2017-01-01)