利用Multisim软件做高中电学仿真实验

    陈东丽 徐晓梅

    

    

    

    摘? ?要：文章用电学仿真软件Multisim14对人教版高中物理教材中“如何使交流电变为直流电”和“电容器的充放电问题”两个实例做仿真实验研究，呈现出将Multisim14软件应用于中学物理电学部分的优势，并进一步阐述其在教学中的应用价值。

    关键词：电学仿真软件;Multisim14;高中物理;电学实验

    中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2021）3-0048-4

    1? ? 引? 言

    中学物理电学部分的知识体系比较抽象，学生在学习过程中会遇到许多困难。为此，在教学过程中要进行许多实验。除了传统实验，可以加入一些虚拟仿真实验来辅助教学。Multisim14软件是一个高校电气专业常用的电学仿真软件，强大的仿真功能可以处理多种电路仿真。将其用于中学物理课堂中，一方面可以弥补实验仪器短缺问题和传统实验在时间、空间上给学生带来的不便与限制;另一方面可以改善实验现象的观看效果，并完成那些过去难以控制的实验[1]。

    2? ? Multisim14软件在中学物理电学部分的应用实例

    参考人教版高中物理教材，从弥补实验仪器短缺问题、改善实验现象的观看效果、简化实验过程等几个方面考虑，选定了“如何使交流电变为直流电”“电容器的充放电问题”两个课题进行探讨。

    2.1? ? 探究怎样把交流电变为直流电

    探究“如何使交流电变为直流电”是对人教版高中物理选修3-2“交流电”一节知识的综合应用。利用Multisim14软件辅助教学既可以简化实验过程，提高课堂效率，又可以达到探究的目的。

    2.1.1? ? 实验过程

    （1）变压

    利用变压器可以实现降压。在Multisim14软件界面中可以绘制出如图1所示的变压电路图。

    为了验证是否实现了变压，可以在变压器前后放入两个电压探针，通过Multisim14软件中的瞬态分析功能，可以发现经过变压器的作用后，已经实现了降压。如图2所示，红色（图中实线所示）为输入端电压，绿色（图中虚线所示）为输出端电压。

    （2）整流

    要使交流电变为直流电，我们很容易想到利用二极管单向导通的特性使电流方向恒定[2]。在电气方面，常用的整流方法有3种：半波整流、全波整流、桥式全波整流。

    ①半波整流

    如图3所示，在前一步骤所绘电路图的基础上串联一个二极管，在二极管前后加入两个多用电表，分别用来测量整流前和整流后的电压值。

    在软件中自带的示波器中显示出整流前和整流后的波形，如图4所示，可以看到红色（图中浅线所示）为整流前波形，为交流电，蓝色（图中粗线所示）为整流后波形，为脉动的直流电。这样一来，已经初步实现交流电变为直流电的目的。但是，整流后负半周电压被白白浪费，是否可以将负半周电压也用上呢？

    ②全波整流

    利用全波整流法可以实现利用负半周电压的目的。如图5所示，全波整流需要用到两个二极管，当交变电流为正方向时，电流经二极管D1流过R1;当电流方向为负方向时，电流经过二极管D2流过R1。如此就可以利用到负半周电压。

    根据图5所示连接好电路，在二极管前后分别放置两个电压探针，经过瞬态分析，得到如图6所示图像。可以发现把整个周期的电压都利用到了。但是也可以看到，全波整流后呈现出电压不稳定、不规则变化的特点。是否有别的办法使电压更加规则地变化呢？

    ③桥式全波整流

    桥式全波整流利用四个二极管，按照图7连接好电路。

    接入两个多用电表，再将多用电表接入示波器中，可以看到红色波形（图中细线所示）为整流前波形，蓝色波形为整流后波形（图中粗线所示）。通过桥式全波整流的方法，实现了交流电变为直流电的目的，而且比单纯的全波整流更加规则，如图8所示。

    （3）濾波

    通过整流的办法使交流电变为直流电之后，得到的是电压大小呈周期性变化的脉动直流电。为了使得到的电流、电压大小趋于稳定，可以采用滤波的方法。利用电容器的充、放电作用，使输出电压趋于平滑[2]。

    并联上一个的电容器之后，在电容器前后分别加入两个电压探针，如图9所示，利用瞬态分析功能，得到如图10所示的结果。可以看到脉冲直流电在电容器的作用下趋于平缓。同时，经过实验也看到电容越大，负载电阻值越大，电流越平缓。

    （4）稳流

    经过滤波这一步骤之后，接下来希望知道改变输出电流的大小，输出端的电压是否有变化;期待在不同的负载下，依然能输出稳定的电压。

    如图11所示，在负载前端接入一个电压探针，利用参数扫描功能，改变负载电阻值，使输出电流改变。可以发现，负载不同，输出电压也不同，如图12所示，这不符合用电需求。在电路中加一个LM7806KC型号的三端稳流器，按照之前的步骤进行参数扫描分析。可以发现，加入稳流器后，负载不同，依然可以输出稳定电压值，如图13所示。

    如此，在Multisim14中就可以完成完整的探究过程，并能直观地观察到实验现象。

    2.2? ? 探究电容器的充放电问题

    传统的电容器充放电现象演示实验中，是在电路中加入一个单刀双掷开关，并串联一个灵敏电流计。当开关拨至电容器两端与电源相连接时，灵敏电流计指针先迅速正向偏转，后逐渐减为0，这是充电过程。当开关拨至电容器两端与导线相连接时，电流计指针先反向偏转，后逐渐变为0，这是放电过程[3]。事实上，这个实验由于充放电过程时间过快，很容易使初次接触这部分知识的学生产生误解，无法真正理解充放电。基于此，可以通过Multisim14软件放慢实验过程，使实验现象直观化，加深学生理解。

    2.2.1? ? 实验过程

    在软件中绘制如图14所示的电路图，并将示波器连接在电容器两端，通过仿真与分析功能中的interaction simulation功能将初始条件改为0，使电容器两端电压从零开始。然后运行程序。

    （1）充电

    当开关拨至3时，为充电过程，电容器两端电压逐渐上升，达到稳定状态12 V，如图15所示。学生此时可以直观地感受到充电过程，同时也发现在负载R1阻值为1 kΩ的情况下，51 ms内电容器就完成了充电。

    （2）放电

    当开关拨至2时，电容器两端与导线直接相连，为电容器的放电过程。为了增加电容器放电时间，串联一个电阻R2。按照上述方法同样可以得到如图16所示的图像，学生也可以直观地感受到放电过程。同时，通过改变负载阻值，可以发现电容器充放电时间会发生改变。

    3? ? 结束语

    文章以Multisim14软件在中学物理电学部分的应用为主，通过对两个实例的研究，首先，突出了电学仿真软件Multisim低成本性、便利性、高效性原则，使每位学生都有机会动手操作;其次，体现了仿真软件Multisim不受时间、空间限制的优越性，使教师能在教学中随时随地用来辅助教学，增加学习的趣味性;最重要的，是能够将Multisim14强大的仿真功能应用于中学物理电学部分的实验中，让学生学会使用仿真软件设计电路，进行探究实验，培养学生的探究能力和科学态度。

    参考文献：

    [1]童建宏，杨晓荣，李红桥，等.EWB仿真软件在中学物理电学实验教学中的应用[J].物理教学，2018，40（10）：35-37.

    [2]孙建朋.电学仿真软件在中学物理教学中应用的研究[D].南京：南京师范大学，2017.

    [3]王巧丽，任新成.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[J].物理通报，2019（09）：110-114，117.

    （栏目编辑? ? 王柏庐）