利用Multisim软件做高中电学仿真实验

2022年5月19日07:32:45利用Multisim软件做高中电学仿真实验已关闭评论
摘要

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

    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)