Multisim14.0在高中電學實驗中的應用

徐佳玉 蔣德瓊

(四川師范大學物理與電子工程學院 四川 成都 610101)

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

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

1 探究二極管的伏安特性曲線

傳統電學實驗中，并沒有設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，傳統的白熾燈在生活中的使用越來越少，替代它的是發光二極管，也就是LED燈.但是大部分高中生對LED燈卻了解甚少.這就體現了傳統電學實驗與時代脫節的現象.因此，學生對二極管的伏安特性進行深入了解可以促進學生關注科技進步和社會發展.并且在學生學習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合，幫助學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(basic→switch→dipsw1)、直流穩壓電源(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

點擊運行后，通過調節滑動變阻器的值，改變二極管的正向電壓，讀出對應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，將數據導入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，發光二極管的伏安特性曲線是一條平滑的曲線，因此發光二極管是非線性元件.

圖2 Excel數據表格

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的關系

在選修3-2第二章中，第4節電容器在交流電路中的作用、第5節電感器在交流電路中的作用、第6節變壓器等3節的知識都可用Multisim14.0進行仿真實驗.本文以需要進行量化分析的第6節變壓器為例.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論基本是不容易實現的.在實際教學中，很多學校會因為實驗器材不足，或實驗誤差大導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設備的大屏幕上，便于學生觀察.并且仿真實驗數據準確、誤差小，也利于學生自己得出變壓器的電壓與匝數的關系.仿真實驗為教學提供了一種理想的條件，可多次實驗，并且實驗結果相同.這就十分有利于教師向學生講解理想變壓器的相關知識.

圖4 Multisim14.0仿真結果

仿真實驗結果顯示，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的關系就很容易了.

3 探究自感現象

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

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)、直流穩壓電源(sources→power_sources→dc_power)、開關(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，調節好后，仿真結果如圖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，根據楞次定律，穿過線圈自身磁通量的變化產生的感應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

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