陳東麗 徐曉梅

摘? ?要：文章用電學(xué)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(gè)實(shí)例做仿真實(shí)驗(yàn)研究，呈現(xiàn)出將Multisim14軟件應(yīng)用于中學(xué)物理電學(xué)部分的優(yōu)勢，并進(jìn)一步闡述其在教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電學(xué)仿真軟件;Multisim14;高中物理;電學(xué)實(shí)驗(yàn)

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

1? ? 引? 言

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

2? ? Multisim14軟件在中學(xué)物理電學(xué)部分的應(yīng)用實(shí)例

參考人教版高中物理教材，從彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)儀器短缺問題、改善實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀看效果、簡化實(shí)驗(yàn)過程等幾個(gè)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(gè)課題進(jìn)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(xué)既可以簡化實(shí)驗(yàn)過程，提高課堂效率，又可以達(dá)到探究的目的。

2.1.1? ? 實(shí)驗(yàn)過程

（1）變壓

利用變壓器可以實(shí)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(yàn)證是否實(shí)現(xiàn)了變壓，可以在變壓器前后放入兩個(gè)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(shí)現(xiàn)了降壓。如圖2所示，紅色（圖中實(shí)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?，我們很容易想到利用二極管單向?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(gè)二極管，在二極管前后加入兩個(gè)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(lán)色（圖中粗線所示）為整流后波形，為脈動(dòng)的直流電。這樣一來，已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)交流電變?yōu)橹绷麟姷哪康?。但是，整流后?fù)半周電壓被白白浪費(fèi)，是否可以將負(fù)半周電壓也用上呢？

②全波整流

利用全波整流法可以實(shí)現(xiàn)利用負(fù)半周電壓的目的。如圖5所示，全波整流需要用到兩個(gè)二極管，當(dāng)交變電流為正方向時(shí)，電流經(jīng)二極管D1流過R1;當(dāng)電流方向?yàn)樨?fù)方向時(shí)，電流經(jīng)過二極管D2流過R1。如此就可以利用到負(fù)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(gè)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(gè)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(diǎn)。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(gè)二極管，按照圖7連接好電路。

接入兩個(gè)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(xì)線所示）為整流前波形，藍(lán)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(shí)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(dòng)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(gè)的電容器之后，在電容器前后分別加入兩個(gè)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。可以看到脈沖直流電在電容器的作用下趨于平緩。同時(shí)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)也看到電容越大，負(fù)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(fù)載下，依然能輸出穩(wěn)定的電壓。

如圖11所示，在負(fù)載前端接入一個(gè)電壓探針，利用參數(shù)掃描功能，改變負(fù)載電阻值，使輸出電流改變。可以發(fā)現(xiàn)，負(fù)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(gè)LM7806KC型號的三端穩(wěn)流器，按照之前的步驟進(jìn)行參數(shù)掃描分析。可以發(fā)現(xiàn)，加入穩(wěn)流器后，負(fù)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中，是在電路中加入一個(gè)單刀雙擲開關(guān)，并串聯(lián)一個(gè)靈敏電流計(jì)。當(dāng)開關(guān)撥至電容器兩端與電源相連接時(shí)，靈敏電流計(jì)指針先迅速正向偏轉(zhuǎn)，后逐漸減為0，這是充電過程。當(dāng)開關(guān)撥至電容器兩端與導(dǎo)線相連接時(shí)，電流計(jì)指針先反向偏轉(zhuǎn)，后逐漸變?yōu)?，這是放電過程[3]。事實(shí)上，這個(gè)實(shí)驗(yàn)由于充放電過程時(shí)間過快，很容易使初次接觸這部分知識的學(xué)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(shí)驗(yàn)過程，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀化，加深學(xué)生理解。

2.2.1? ? 實(shí)驗(yàn)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(yùn)行程序。

（1）充電

當(dāng)開關(guān)撥至3時(shí)，為充電過程，電容器兩端電壓逐漸上升，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)12 V，如圖15所示。學(xué)生此時(shí)可以直觀地感受到充電過程，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)在負(fù)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(dāng)開關(guān)撥至2時(shí)，電容器兩端與導(dǎo)線直接相連，為電容器的放電過程。為了增加電容器放電時(shí)間，串聯(lián)一個(gè)電阻R2。按照上述方法同樣可以得到如圖16所示的圖像，學(xué)生也可以直觀地感受到放電過程。同時(shí)，通過改變負(fù)載阻值，可以發(fā)現(xiàn)電容器充放電時(shí)間會(huì)發(fā)生改變。

3? ? 結(jié)束語

文章以Multisim14軟件在中學(xué)物理電學(xué)部分的應(yīng)用為主，通過對兩個(gè)實(shí)例的研究，首先，突出了電學(xué)仿真軟件Multisim低成本性、便利性、高效性原則，使每位學(xué)生都有機(jī)會(huì)動(dòng)手操作;其次，體現(xiàn)了仿真軟件Multisim不受時(shí)間、空間限制的優(yōu)越性，使教師能在教學(xué)中隨時(shí)隨地用來輔助教學(xué)，增加學(xué)習(xí)的趣味性;最重要的，是能夠?qū)ultisim14強(qiáng)大的仿真功能應(yīng)用于中學(xué)物理電學(xué)部分的實(shí)驗(yàn)中，讓學(xué)生學(xué)會(huì)使用仿真軟件設(shè)計(jì)電路，進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和科學(xué)態(tài)度。

參考文獻(xiàn)：

[1]童建宏，楊曉榮，李紅橋，等.EWB仿真軟件在中學(xué)物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].物理教學(xué)，2018，40（10）：35-37.

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

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

（欄目編輯? ? 王柏廬）