Multisim11仿真软件在高中物理电学实验教学中的应用
——以“测电源电动势和内阻”“电容器充放电”为例

王巧丽 任新成

(延安大学物理与电子信息学院 陕西 延安 716000)

在国外，最早在教育学意义上运用“情境”的是杜威，他认为，“我们主张必须有一个实际的直接经验，作为思维的开始阶段.”[1]中学物理实验教学对于学生掌握知识、培养动手能力、提高素养具有重要的意义，但是，有一些实验因为缺乏器材或者有一定的危险性且现象不是太明显，使得实验教学的效果大打折扣，进而影响到物理教学的成败．传统的“电路理论”课程对于理论的讲解比较多，概念抽象，学生对教学内容缺乏感性认识，学习起来有难度．Multisim11计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的问题[2]．

本文就Multisim11软件在高中物理电学实验教学中的应用作一探讨．

1 Multisim11简介

Multisim11作为一款专门用于电子线路仿真与设计的EDA(Electronic Design Automation，电子设计自动化)工具软件，Multisim11先进的电路仿真和设计功能是目前其他众多 EDA 软件所不具备的，该软件以图形界面为主，采用菜单栏、工具栏和热键相结合的方式，具有一般Windows应用软件的界面风格，操作起来也方便，尤其是多种可放置到设计电路中的虚拟仪表，使电路的仿真分析操作更符合工程技术人员的工作习惯[3]．在中学阶段，物理学科是大多数学生最头疼的科目之一，学生普遍感到抽象、枯燥、逻辑性太强．将Multisim11应用于高中物理实验教学中，可以使教学过程更加形象、生动，易于学生理解和接受．除此以外，因Multisim11具有直观的图形界面、丰富的元器件、强大的仿真能力、丰富的测试仪器、完备的分析手段等优点，就不仅可以使实验教学方便开展，而且在一定程度上解决了实验器材缺乏的问题，从而在虚拟环境中解决电学实验中的一些问题，将电学实验展现得淋漓尽致．

2 Multisim11仿真软件在高中物理电学实验教学中的应用

2.1 测电源电动势和内阻

测电源电动势和内阻实验是普通高中课程标准实验教科书《物理·选修3-1》中基本而重要的内容[4,5]．对于测量方法的选择，文献[6]分别从电阻测量误差分析、电流表内外接法选择依据、电流表内外接法判定条件、测量电阻的功率等方面进行研究．其拓展原理方法有伏伏法、安安法[7,8]．在已经掌握了闭合电路欧姆定律的前提下，再来学习如何测量电源电动势和内阻的知识会显得更加轻松．在本文中主要探讨将Multisim11仿真软件应用于教学中，这样能够在虚拟条件下把原理说得更清楚．

实例1：要测量如图1所示的电路中待测电源的电动势和内阻．

图1 测量待测电源电动势和内阻电路图

打开Multisim11软件，在元器件库中调出所需要的电源、电阻、电压表、电流表以及开关等元器件，根据图1连接好仿真电路，如图2所示．

图2 测量待测电源电动势和内阻仿真图

图2中R为滑动变阻器，最大阻值为20 Ω，调节其滑片改变的是滑片左端的电阻所占整个电阻的百分比值．R1是一个阻值为10 Ω的定值电阻，XMM1和XMM2分别为电流表和电压表，J1为单刀开关．虚拟电路环境中，其各个元器件很理想，所以可以稍作改进，在这里将电动势约3 V，内阻约为2 Ω的待测电源改装为由一个理想电源V1(2.9 V)和一个电阻R2(1.8 Ω)串联的结构，通过实验数据对电源的电动势和内阻进行验证．

连接好电路后运行实验，依次分别调节滑动变阻器的百分比为0%，25%，50%，75%，使其接入电路的阻值为20 Ω，15 Ω，10 Ω，5 Ω，两表测试的数值分别如图3，图4，图5，图6所示．

图3 测量待测电源电动势和内阻仿真图(调节R为0%)

图4 测量待测电源电动势和内阻仿真图(调节R为25%)

图5 测量待测电源电动势和内阻仿真图(调节R为50%)

图6 测量待测电源电动势和内阻仿真图(调节R为75%)

进行上述实验是一个动态过程，所以实验过程中最好提醒学生将数据记录在一个表格中，以便后续对实验数据进行计算．如表1所示．

表1 不同阻值下对应的测量值

由已知数据计算电源电动势和内阻时，根据公式E=U+IR2，可以由表1数据导出以下4个不同的式子

E=U1+I1R2

E=U2+I2R2

E=U3+I3R2

E=U4+I4R2

代入表1中的数据后，可以算出电动势E=2.9 V，内阻R2=1.8 Ω，从而使待测电源的电动势和内阻的值得到验证．经过这样一个简单的虚拟电路的教学，可以使学生将电源的性质了解得更加透彻，知道我们平时用到的电源本身都有一定的内阻．

2.2 电容器充放电

实例2：在Multisim11中建立如图7所示的电路，用于演示电容器的充放电过程.

图7 电容器充放电仿真图

图中R1=5 Ω，C1=10 μF，XMM1为万用表，用于测电容器两端的电压，XSC1为示波器，主要用于测量电容器两端的实时电压，为了使放电过程更加形象，可以在放电回路中接一个额定电压为5 V，额定功率为1 W的灯泡X1．根据灯泡的参数值可以计算其额定电流和电阻

R1的选取与确定：为了保证灯泡不被烧坏，选取并确定电阻R1=5 Ω．

连接好电路后，首先，将双掷开关连通电源，对电容器充电，如图8所示．

图8 电容器充电图

此时可以观察到，电容器两端的电压表显示为5 V，示波器两端也有5 V的稳定电压，说明电容器两端迅速被充有等于电源电压的电压值，且保持稳定．

然后，将双掷开关连通灯泡，让电容器放电，如图9和图10所示．

图9 电容器放电过程图

图10 电容器放电结束图

放电过程中，我们可以看到小灯泡会闪烁一次，电容器会将之前储存的电能释放出来，在放电回路中电容器相当于一个“快速电池”，电容器两端的电压很快从5 V降到零，上述记录了其中一个过程值，如图9所示，并且从图9中可以看出电容器两端的电压存在一个短暂的衰减期，至于衰减时间的计算会在大学课程的RC电路中详细介绍．

为了进一步说明电容器的充放电是两个相逆过程，可以不断切换开关，使电容器交替充电、放电．在示波器上可以看到电容器两端的电压变化情况，如图11所示．

图11 电容器交替进行充、放电图

由图11知，通过改变开关的切合情况来控制电容器的充放电情况，从图中可知，电容器在充电的时候，电压迅速变为5 V,放电的时候又迅速降为零，两端的电压在5 V和零这两个值之间不断变化，由此说明电容器的充放电是两个相逆的过程．

由上述几步实验操作，在Multisim11仿真软件中将电容器的充放电过程用动态的图像呈现在学生眼前，使学生真切感受到电容器的工作特性，让抽象的问题具体化，既让学生掌握了相关知识，又解决了实验器材短缺的问题．

3 结束语

目前EDA技术已应用于电子系统的方方面面，Multisim11软件是用于电子电路设计、仿真、分析、制版的一款优异的软件，利用Multisim11软件快捷、方便及易学易用的优点，在实验课中合理安排仿真实验，将对理论课教学，实验教学都会起到很好的辅助作用．实验教学中，将动态电路合理静态分析，抽象知识具体化，从而提高学生学习兴趣，使学生获得最佳学习效果．此外，将Multisim11仿真软件应用于高中物理实验教学，可以增强学生对电路知识的感性认识；使学生掌握各种仪器的基本使用和电路参数的测试方法；可以突出教学重点，突破教学难点，通过调试和测量，可以将实验和理论知识有机地结合起来，加深对理论知识的理解，同时使学生了解电子测量技术的最新发展．