汪鵬 柴志方

摘 要：測量電源電動勢與內(nèi)阻以及相應(yīng)的誤差分析一直是高中物理實驗教學(xué)的重點和難點.介紹了Multisim軟件，并使用該軟件開展測電源電動勢與內(nèi)阻的仿真實驗.實驗過程中用伏安法測量了電源的輸出電壓隨電流的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上研究了電源內(nèi)阻對實驗過程的影響，進(jìn)而采用Excel軟件處理實驗數(shù)據(jù).最后對實驗的誤差進(jìn)行了分析，并討論了使用Multisim軟件和Excel軟件開展實驗以及進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢.

關(guān)鍵詞：電源電動勢;內(nèi)阻;物理教學(xué);Multisim

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）17-0038-04

作者簡介：汪鵬（1997-），男，安徽池州人，碩士研究生，研究方向：中學(xué)物理教學(xué);

柴志方（1977-），男，河北邢臺人，博士，副教授，研究方向：物理教育.

測量電源電動勢與內(nèi)阻是2017年版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)中的必修實驗[1]REF_Ref55241599＼r＼h＼*MERGEFORMAT，其原理方法常見的有伏安法、伏阻法、安阻法[2]REF_Ref54985503＼r＼h＼*MERGEFORMAT.但是，因為實驗室器材老舊等原因，做出的實驗結(jié)果誤差很大，非常影響實驗教學(xué)的效果.目前計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為物理實驗教學(xué)提供了強(qiáng)大的輔助作用.將Multisim等電路仿真軟件應(yīng)用在物理電學(xué)實驗教學(xué)中，不僅擺脫了傳統(tǒng)實驗器材的束縛，還可以使教學(xué)過程非常直觀形象，易于學(xué)生理解，鍛煉學(xué)生的動手操作能力.Multisim有非常直觀的界面和豐富的原件庫，并且仿真時操作非常簡單，教師和學(xué)生都十分容易上手，非常適合在高中物理實驗課程中推廣.

1 測電源電動勢的基本原理

在高中物理教學(xué)中，測電源電動勢與內(nèi)阻的基本方法有3種，分別為伏安法、安阻法、伏阻法.本文以伏安法為例進(jìn)行簡要介紹.如圖1所示，主要使用的實驗器材有滑動變阻器、電流表、電壓表.不考慮電表本身的阻值，即看成理想電流表（電流表內(nèi)阻為0）、理想電壓表（電壓表內(nèi)阻無窮大）.那么根據(jù)閉合回路的歐姆定律

式（1）表明，因為電源電動勢和內(nèi)阻一般看成定值，則路端電壓U和電路的電流I是呈現(xiàn)線性關(guān)系的.通過調(diào)節(jié)滑動變阻器，測出多個（Ii，Ui）數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)軸上描點畫線，畫出此（Ii，Ui）的直線.由這條直線圖像可以得出斜率與截距，并根據(jù)（1）式可知，截距的值即為電源電動勢E，直線斜率的絕對值即為電源內(nèi)阻r[3].

2 Multisim 14 簡介

Multisim 14 是一款基于Windows系統(tǒng)的仿真工具.Multisim 操作界面如圖2所示.該軟件以圖形界面的形式，再加上工具欄、儀器欄、元器件庫等，可以讓使用者十分方便地構(gòu)建起仿真電路.Multisim的元器件非常豐富，涵蓋了所有電子電路需要的元器件，在軟件中可以完成幾乎所有的電子電路仿真，并且軟件中儀器的圖形與實物外形基本一致，大大增強(qiáng)了仿真電路的實用性.在創(chuàng)建實驗電路時，元器件和測試儀器均可以在操作界面上直接拖拽，電路的連接也只需要通過鼠標(biāo)的拖動即可，在線路拐彎處自動生成直角形狀，線路連接非常標(biāo)準(zhǔn)美觀.并且仿真精度高，對計算機(jī)配置要求較低，入門容易，使用方便.

3 利用Multisim及Excel仿真測電源電動勢與內(nèi)阻

3.1 電路連接及實驗

用Multisim軟件進(jìn)行電路仿真可以分為以下4步：第一，選取元器件.打開Multisim 14軟件，即可在元器件庫中直接選取所需要的元器件，鼠標(biāo)點擊確認(rèn)即可拖動元器件到電路工作區(qū)的任意位置.第二，設(shè)置元器件.按照實驗的要求，使用鼠標(biāo)左鍵雙擊元器件即可設(shè)定元件的具體參數(shù)，使用鼠標(biāo)右鍵單擊元器件即可控制元器件的旋轉(zhuǎn)與翻轉(zhuǎn)角度等調(diào)整元件的擺放方位.第三，連接電路.Multisim中的每個元器件都自帶有連接點，將所有電路元器件都按照要求擺放在電路工作區(qū)后，只需要通過鼠標(biāo)，按照電路圖，依次連接每個元器件的連接點即可完成電路的連接.當(dāng)然要注意的是，在電路圖中必須要接地.因為接地就是給電路設(shè)置了一個參考點，方便計算出電路中其他各點的電位.這也是仿真軟件與真實實驗有所區(qū)別的地方.第四，進(jìn)行仿真，得出數(shù)據(jù).電路連接完畢后，只需要用鼠標(biāo)點擊電路工作區(qū)上方的綠色三角形仿真開關(guān)，即可開始進(jìn)行仿真.通過電路中電表所顯示的數(shù)值，或是一些電路中的探針，即可收集到數(shù)據(jù).

按照上述電路圖1，進(jìn)行仿真.先在元器件庫中依次選取電源、開關(guān)、電阻、電流表等必要的工作元件，將其分別拖到電路工作區(qū)，按照電路圖進(jìn)行連接.再設(shè)定電源電壓為2.95V，內(nèi)阻為1.1Ω，電流表內(nèi)阻為1Ω，電壓表內(nèi)阻為10kΩ.連接好電路進(jìn)行仿真，如圖3所示.

調(diào)節(jié)圖3中的滑動變阻器，每次使滑動變阻器阻值增加總阻值的10%，通過電流表和電壓表進(jìn)行讀數(shù)，并將數(shù)據(jù)記錄在Excel表格中，見表1.為了探究不同內(nèi)阻阻值對實驗結(jié)果的影響，在上面實驗結(jié)束后，再將內(nèi)阻阻值分別調(diào)整為0.5Ω、5Ω和10Ω，再重復(fù)采集U-I數(shù)據(jù)，結(jié)果同樣在表1呈現(xiàn).

3.2 應(yīng)用Excel軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析

在Excel軟件中，選中表1中的仿真數(shù)據(jù)，單擊“插入”菜單中的圖表，選中“XY散點圖”，再選中散點圖，添加坐標(biāo)軸標(biāo)題，即可設(shè)置好橫、縱坐標(biāo)的標(biāo)題與單位.之后右鍵單擊散點圖中的數(shù)據(jù)點，選擇“添加趨勢線”.勾選線性以及顯示公式，即可顯示出由所測數(shù)據(jù)擬合的直線，以及它的方程[4].上述數(shù)據(jù)得出的散點圖如圖4所示，直線方程分別為：

3.3 誤差分析

內(nèi)阻為1.1Ω的直線的方程是y=-2.0993x+2.9497.根據(jù)（1）式，可得電源電動勢E為2.9497V，內(nèi)阻為2.0993Ω.但是一開始設(shè)定參數(shù)時，設(shè)定了電源電動勢為2.95V，內(nèi)阻為1.1Ω，這就存在了誤差.

圖1所示的電路圖誤差來源于電流表的分壓[5]，即電壓表所測電壓實際為電流表和電源電動勢兩端電壓之和，考慮到電流表的影響，根據(jù)閉合回路的歐姆定律，（1）式應(yīng)修正為

則所測電源電動勢應(yīng)修正為2.9497V，內(nèi)阻為1.0993Ω，這與設(shè)定值就非常接近.之所以還存在誤差，主要是因為在仿真記錄數(shù)據(jù)時，電流值只保留到小數(shù)點后4位，所以會導(dǎo)致微小的誤差.

4 利用Multisim及Excel進(jìn)行實驗教學(xué)的優(yōu)勢

4.1 彌補(bǔ)真實物理實驗的不足

在測電源電動勢與內(nèi)阻的真實實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，新電源的電動勢往往非常小，利用實驗往往很難準(zhǔn)確測定出來.并且測電動勢E與內(nèi)阻r的前提都是假定E、r為定值，但實際情況是，電池的內(nèi)阻是電流放電的函數(shù)，放電電流越大，內(nèi)阻越小，放電時間越長，內(nèi)阻越大[6].所以電源本身的特性也會導(dǎo)致測電動勢與內(nèi)阻存在較大誤差，并且無法避免.

利用仿真軟件，可以預(yù)先設(shè)定好電源電動勢及內(nèi)阻的參數(shù)，這就避免了真實實驗中電源內(nèi)阻隨著放電的進(jìn)行，內(nèi)阻值不斷變化的現(xiàn)象，并且所得實驗數(shù)據(jù)理想，易于學(xué)生得出正確的結(jié)論.教師亦可以結(jié)合各種探針的運(yùn)用，更加直觀地讓學(xué)生感受到電路各部分的數(shù)據(jù)情況，增強(qiáng)學(xué)生對整體電路圖的理解與掌握.

4.2 擺脫實驗器材、地點的限制

在中學(xué)物理實驗教學(xué)中，部分地區(qū)受到經(jīng)濟(jì)等方面的限制，以及重視程度的不夠[7]，實驗器材可能不全或者損耗嚴(yán)重，對物理實驗造成了非常大的限制，并且實驗結(jié)果往往誤差很大.對學(xué)生的學(xué)習(xí)認(rèn)知以及教學(xué)效果都造成了非常不好的影響.而利用Multisim軟件進(jìn)行實驗教學(xué)，只需要一臺普通的電腦即可，不需要各式各樣的實驗儀器，也不需要專門的物理實驗室，可以大大節(jié)約學(xué)校經(jīng)費.

并且，通過仿真軟件，可以隨意改變電路元件的參數(shù)進(jìn)行探究.如探究內(nèi)阻的大小對實驗的影響，可以十分方便地利用Multisim更改電路內(nèi)阻參數(shù)，得出其U-I圖像，如圖4所示.通過比較4條直線，學(xué)生可以更加直觀地感受到內(nèi)阻在電路中所起到的作用，了解內(nèi)阻的大小對U-I圖像斜率的影響，從而更加深刻地認(rèn)識電路U-I圖像斜率的絕對值就是內(nèi)阻這一知識點.而在真實的物理實驗條件下，每個電源的內(nèi)阻是無法改變的，也就無法做到對不同內(nèi)阻情況的探究.

4.3 提高實驗教學(xué)效率

從學(xué)生了解各種實驗器材，進(jìn)行電路的連接，到按步驟進(jìn)行操作、觀察，記錄及分析數(shù)據(jù)，得出實驗結(jié)果，這些過程需要耗費大量的時間，并且過程中可能會出現(xiàn)種種意外，對教學(xué)的進(jìn)度造成極大的干擾.

利用Multisim仿真軟件進(jìn)行仿真實驗，它能克服實物實驗中難以克服的困難，最大限度地排除實物實驗中產(chǎn)生誤差的影響，提高實驗精度.并且電路的連接、仿真實驗、收集數(shù)據(jù)等非?？旖莘奖?利用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，不僅減小了學(xué)生用筆計算大量數(shù)據(jù)的繁瑣過程，還可以使實驗結(jié)果呈現(xiàn)更直觀，極大地提高了學(xué)習(xí)效率.

4.4 增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與動手能力

許多學(xué)校以及教師受到應(yīng)試教育思維的影響，普遍存在著重視理論輕視實驗的思想[8].并且受到課程時數(shù)的限制，在實際的測電動勢與內(nèi)阻實驗教學(xué)中，往往只會以教師口頭講解或是演示的方式進(jìn)行，進(jìn)行蜻蜓點水式的滲透，強(qiáng)調(diào)學(xué)生去背記一些結(jié)論和重點來代替真實的實驗操作，而不是讓學(xué)生真正地參與其中，親自動手去做實驗，親自去體會物理實驗的魅力和科學(xué)規(guī)律.這也就完全偏離了設(shè)置物理實驗教學(xué)的初心，久而久之，學(xué)生對物理實驗的學(xué)習(xí)興趣就會慢慢喪失，學(xué)生的動手能力、分析能力、解決問題的能力也就難以得到培養(yǎng).

將Multisim以及Excel軟件引入到物理實驗教學(xué)，會給學(xué)生帶來更好的沉浸感，更豐富的學(xué)習(xí)體驗.大大增強(qiáng)學(xué)生對實驗的興趣，提升其對電路、電源等物理概念的感性認(rèn)識.配合著教師系統(tǒng)性的授課講解，可以更好地促進(jìn)學(xué)生感性認(rèn)識與理性認(rèn)識的深度融合，將抽象的電路原理圖轉(zhuǎn)換為實實在在的電路映射在學(xué)生腦海里，在學(xué)生進(jìn)行仿真的過程中不斷深化理解，不斷提高學(xué)生的實際操作能力.

5 結(jié)束語

利用Multisim及Excel進(jìn)行測電源電動勢與內(nèi)阻的實驗教學(xué)，克服了傳統(tǒng)實物實驗的種種弊端，不失為一種較好的物理實驗教學(xué)手段.并且，不僅僅是上課時教師可以指導(dǎo)學(xué)生利用軟件進(jìn)行學(xué)習(xí)，在課前的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)和課后的復(fù)習(xí)鞏固環(huán)節(jié)，這些軟件對于學(xué)生實驗課程的學(xué)習(xí)都可以起到非常好的促進(jìn)作用.在高中物理實驗教學(xué)中，應(yīng)該積極摒棄實驗教學(xué)的僵化模式，利用目前發(fā)展較為成熟的各種科學(xué)技術(shù)，積極探索新的物理實驗教學(xué)思路.

參考文獻(xiàn)：

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[8]江山.讓物理實驗回歸物理探索的本義[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2014，43（Z1）：2-6.

（收稿日期：2021-05-14）