利用Multisim軟件做高中電學仿真實驗

陳東麗 徐曉梅

摘? ?要：文章用電學仿真軟件Multisim14對人教版高中物理教材中“如何使交流電變?yōu)橹绷麟姟焙汀半娙萜鞯某浞烹妴栴}”兩個實例做仿真實驗研究，呈現(xiàn)出將Multisim14軟件應(yīng)用于中學物理電學部分的優(yōu)勢，并進一步闡述其在教學中的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：電學仿真軟件;Multisim14;高中物理;電學實驗

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）3-0048-4

1? ? 引? 言

中學物理電學部分的知識體系比較抽象，學生在學習過程中會遇到許多困難。為此，在教學過程中要進行許多實驗。除了傳統(tǒng)實驗，可以加入一些虛擬仿真實驗來輔助教學。Multisim14軟件是一個高校電氣專業(yè)常用的電學仿真軟件，強大的仿真功能可以處理多種電路仿真。將其用于中學物理課堂中，一方面可以彌補實驗儀器短缺問題和傳統(tǒng)實驗在時間、空間上給學生帶來的不便與限制;另一方面可以改善實驗現(xiàn)象的觀看效果，并完成那些過去難以控制的實驗[1]。

2? ? Multisim14軟件在中學物理電學部分的應(yīng)用實例

參考人教版高中物理教材，從彌補實驗儀器短缺問題、改善實驗現(xiàn)象的觀看效果、簡化實驗過程等幾個方面考慮，選定了“如何使交流電變?yōu)橹绷麟姟薄半娙萜鞯某浞烹妴栴}”兩個課題進行探討。

2.1? ? 探究怎樣把交流電變?yōu)橹绷麟?/p>

探究“如何使交流電變?yōu)橹绷麟姟笔菍θ私贪娓咧形锢磉x修3-2“交流電”一節(jié)知識的綜合應(yīng)用。利用Multisim14軟件輔助教學既可以簡化實驗過程，提高課堂效率，又可以達到探究的目的。

2.1.1? ? 實驗過程

（1）變壓

利用變壓器可以實現(xiàn)降壓。在Multisim14軟件界面中可以繪制出如圖1所示的變壓電路圖。

為了驗證是否實現(xiàn)了變壓，可以在變壓器前后放入兩個電壓探針，通過Multisim14軟件中的瞬態(tài)分析功能，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過變壓器的作用后，已經(jīng)實現(xiàn)了降壓。如圖2所示，紅色（圖中實線所示）為輸入端電壓，綠色（圖中虛線所示）為輸出端電壓。

（2）整流

要使交流電變?yōu)橹绷麟姡覀兒苋菀紫氲嚼枚O管單向?qū)ǖ奶匦允闺娏鞣较蚝愣╗2]。在電氣方面，常用的整流方法有3種：半波整流、全波整流、橋式全波整流。

①半波整流

如圖3所示，在前一步驟所繪電路圖的基礎(chǔ)上串聯(lián)一個二極管，在二極管前后加入兩個多用電表，分別用來測量整流前和整流后的電壓值。

在軟件中自帶的示波器中顯示出整流前和整流后的波形，如圖4所示，可以看到紅色（圖中淺線所示）為整流前波形，為交流電，藍色（圖中粗線所示）為整流后波形，為脈動的直流電。這樣一來，已經(jīng)初步實現(xiàn)交流電變?yōu)橹绷麟姷哪康?。但是，整流后負半周電壓被白白浪費，是否可以將負半周電壓也用上呢？

②全波整流

利用全波整流法可以實現(xiàn)利用負半周電壓的目的。如圖5所示，全波整流需要用到兩個二極管，當交變電流為正方向時，電流經(jīng)二極管D1流過R1;當電流方向為負方向時，電流經(jīng)過二極管D2流過R1。如此就可以利用到負半周電壓。

根據(jù)圖5所示連接好電路，在二極管前后分別放置兩個電壓探針，經(jīng)過瞬態(tài)分析，得到如圖6所示圖像?？梢园l(fā)現(xiàn)把整個周期的電壓都利用到了。但是也可以看到，全波整流后呈現(xiàn)出電壓不穩(wěn)定、不規(guī)則變化的特點。是否有別的辦法使電壓更加規(guī)則地變化呢？

③橋式全波整流

橋式全波整流利用四個二極管，按照圖7連接好電路。

接入兩個多用電表，再將多用電表接入示波器中，可以看到紅色波形（圖中細線所示）為整流前波形，藍色波形為整流后波形（圖中粗線所示）。通過橋式全波整流的方法，實現(xiàn)了交流電變?yōu)橹绷麟姷哪康模冶葐渭兊娜ㄕ鞲右?guī)則，如圖8所示。

（3）濾波

通過整流的辦法使交流電變?yōu)橹绷麟娭?，得到的是電壓大小呈周期性變化的脈動直流電。為了使得到的電流、電壓大小趨于穩(wěn)定，可以采用濾波的方法。利用電容器的充、放電作用，使輸出電壓趨于平滑[2]。

并聯(lián)上一個的電容器之后，在電容器前后分別加入兩個電壓探針，如圖9所示，利用瞬態(tài)分析功能，得到如圖10所示的結(jié)果?？梢钥吹矫}沖直流電在電容器的作用下趨于平緩。同時，經(jīng)過實驗也看到電容越大，負載電阻值越大，電流越平緩。

（4）穩(wěn)流

經(jīng)過濾波這一步驟之后，接下來希望知道改變輸出電流的大小，輸出端的電壓是否有變化;期待在不同的負載下，依然能輸出穩(wěn)定的電壓。

如圖11所示，在負載前端接入一個電壓探針，利用參數(shù)掃描功能，改變負載電阻值，使輸出電流改變?？梢园l(fā)現(xiàn)，負載不同，輸出電壓也不同，如圖12所示，這不符合用電需求。在電路中加一個LM7806KC型號的三端穩(wěn)流器，按照之前的步驟進行參數(shù)掃描分析?？梢园l(fā)現(xiàn)，加入穩(wěn)流器后，負載不同，依然可以輸出穩(wěn)定電壓值，如圖13所示。

如此，在Multisim14中就可以完成完整的探究過程，并能直觀地觀察到實驗現(xiàn)象。

2.2? ? 探究電容器的充放電問題

傳統(tǒng)的電容器充放電現(xiàn)象演示實驗中，是在電路中加入一個單刀雙擲開關(guān)，并串聯(lián)一個靈敏電流計。當開關(guān)撥至電容器兩端與電源相連接時，靈敏電流計指針先迅速正向偏轉(zhuǎn)，后逐漸減為0，這是充電過程。當開關(guān)撥至電容器兩端與導線相連接時，電流計指針先反向偏轉(zhuǎn)，后逐漸變?yōu)?，這是放電過程[3]。事實上，這個實驗由于充放電過程時間過快，很容易使初次接觸這部分知識的學生產(chǎn)生誤解，無法真正理解充放電。基于此，可以通過Multisim14軟件放慢實驗過程，使實驗現(xiàn)象直觀化，加深學生理解。

2.2.1? ? 實驗過程

在軟件中繪制如圖14所示的電路圖，并將示波器連接在電容器兩端，通過仿真與分析功能中的interaction simulation功能將初始條件改為0，使電容器兩端電壓從零開始。然后運行程序。

（1）充電

當開關(guān)撥至3時，為充電過程，電容器兩端電壓逐漸上升，達到穩(wěn)定狀態(tài)12 V，如圖15所示。學生此時可以直觀地感受到充電過程，同時也發(fā)現(xiàn)在負載R1阻值為1 kΩ的情況下，51 ms內(nèi)電容器就完成了充電。

（2）放電

當開關(guān)撥至2時，電容器兩端與導線直接相連，為電容器的放電過程。為了增加電容器放電時間，串聯(lián)一個電阻R2。按照上述方法同樣可以得到如圖16所示的圖像，學生也可以直觀地感受到放電過程。同時，通過改變負載阻值，可以發(fā)現(xiàn)電容器充放電時間會發(fā)生改變。

3? ? 結(jié)束語

文章以Multisim14軟件在中學物理電學部分的應(yīng)用為主，通過對兩個實例的研究，首先，突出了電學仿真軟件Multisim低成本性、便利性、高效性原則，使每位學生都有機會動手操作;其次，體現(xiàn)了仿真軟件Multisim不受時間、空間限制的優(yōu)越性，使教師能在教學中隨時隨地用來輔助教學，增加學習的趣味性;最重要的，是能夠?qū)ultisim14強大的仿真功能應(yīng)用于中學物理電學部分的實驗中，讓學生學會使用仿真軟件設(shè)計電路，進行探究實驗，培養(yǎng)學生的探究能力和科學態(tài)度。

參考文獻：

[1]童建宏，楊曉榮，李紅橋，等.EWB仿真軟件在中學物理電學實驗教學中的應(yīng)用[J].物理教學，2018，40（10）：35-37.

[2]孫建朋.電學仿真軟件在中學物理教學中應(yīng)用的研究[D].南京：南京師范大學，2017.

[3]王巧麗，任新成.Multisim11仿真軟件在高中物理電學實驗教學中的應(yīng)用——以“測電源電動勢和內(nèi)阻” “電容器充放電”為例[J].物理通報，2019（09）：110-114，117.

（欄目編輯? ? 王柏廬）