應用NI Multisim電路仿真軟件模擬自感現(xiàn)象的研究

【摘要】本文簡單介紹了軟件Multisim 10的基本使用方法，敘述了應用該軟件仿真自感現(xiàn)象實驗的研究過程。應用電子電路仿真設計軟件Multisim 10，設計出與真實實驗相一致的匹配電路，通過計算機軟件模擬仿真技術呈現(xiàn)出實驗現(xiàn)象，定量分析電路中電流（電壓）的變化規(guī)律，克服了傳統(tǒng)的中學電學實驗中的一些缺陷和不足，取得了很好的效果。

【關鍵詞】物理實驗；Multisim10軟件；自感現(xiàn)象

在高中新課程人教版物理選修3-2教科書的第四章第6節(jié)，介紹了這樣一種奇妙的電學現(xiàn)象：當一個線圈中的電流發(fā)生變化時，它產生的變化的磁場在它的本身激發(fā)出感應電動勢，從而產生的電磁感應現(xiàn)象，稱為自感現(xiàn)象。通常教師為了使學生更容易理解這一概念，會設計演示實驗作為載體來分析自感線圈中“自己的電流變化最終在自己身上激起的感應現(xiàn)象，自己身上的自感現(xiàn)象又將會阻礙自己的電流變化”的規(guī)律。然而在實際操作中，發(fā)現(xiàn)實驗只能做粗略的定性分析，電感線圈的可調控性差，小燈泡的延時效果不明顯等問題，使得實驗總體效果不佳，結論缺乏說服力。為了彌補上述不足，筆者嘗試通過計算機軟件對真實實驗進行模擬電路分析。應用電子電路仿真設計軟件NI Multisim 10，設計出與真實實驗相一致的匹配電路，仿真呈現(xiàn)出實驗現(xiàn)象，定量分析電路中電流（電勢）的變化規(guī)律，取得了很好的效果。下面簡單介紹軟件NI Multisim 10的基本使用方法，以及說明應用該軟件仿真自感現(xiàn)象實驗的研究過程。

一、Multisim簡介

Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的一款優(yōu)秀的仿真工具，主要用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。基于這些優(yōu)點，物理教師在電學實驗教學環(huán)節(jié)，可以很好地、很方便地把學生剛剛學到的理論知識用計算機仿真真實的再現(xiàn)出來。很好的解決理論教學與實際動手實驗相脫節(jié)的這一老大難問題，極大地提高了學生的學習熱情和積極性，真正的做到了變被動學習為主動學習。這些在教學活動中已經(jīng)得到了很好的體現(xiàn)。例如《數(shù)字電子技術》一書就是以Mulitisim作為教材工具，其強大的功能被廣大高校教師、學生以及電子愛好者所喜愛。

1.Multisim10的主窗口界面

Multisim10的啟動界面（如圖1所示），啟動后進入主窗口界面（如圖2所示）。

2.Multisim10的元器件（Component）工具欄

Multisim提供了多種工具欄。通過工具欄，用戶可以方便直接地使用軟件的各項功能。下面主要介紹設計自感實驗電路時必須使用的元器件工具欄（如圖3所示）。該工具欄有18個按鈕，每一個按鈕都對應一類元器件，通過按鈕上圖標就可大致清楚該類元器件的類型。

這個工具欄作為元器件的頂層工具欄，每一個按鈕又可以開關下層的工具欄，下層工具欄是對該類元器件更細致的分類工具欄。以第一個按鈕為例。通過這個按鈕可以開關電源和信號源類的Sources工具欄如圖4所示。

二、應用Multisim10軟件仿真自感現(xiàn)象

1.仿真實驗一：通電自感現(xiàn)象演示

【設計】按照教科書圖5設計仿真電路圖：兩個燈泡A1和A2的規(guī)格相同，A1與線圈L串聯(lián)后接到電源上，A2與可變電阻R串聯(lián)后接到電源上（如圖6所示）。

【調試】用鼠標左鍵單擊Multisim主窗口界面右上方的仿真開關圖標，然后用鼠標單擊相應的開關元件進行調試。先閉合開關S，調節(jié)電阻R，使兩個燈泡的亮度相同，再調節(jié)可變電阻R1，使它們都正常發(fā)光，然后斷開開關S（如圖7所示）。

【仿真】重新接通電路。注意觀察，在開關閉合的時候兩個燈泡的發(fā)光情況（如圖8-a，b，c）。

圖8

圖9

閉合開關S瞬間，燈泡A2馬上就變亮，而燈泡A1卻逐漸由暗變亮。

【電路分析】用鼠標單擊軟件中的示波器（xsc1圖標），呈現(xiàn)開關S閉合時A1支路和A2支路的電壓（或根據(jù)歐姆定律推出電流）變化曲線如圖9-a。

觀察圖9-b，得出結論：當接通開關S時，有電感線圈的A1支路電壓（或電流）只能緩慢變大。

觀察圖9-c，得出結論：當接通開關S時，無電感線圈的A2支路電壓（或電流）瞬間馬上變大。

2.仿真實驗二：斷電自感現(xiàn)象演示

【設計】按照教科書圖10設計仿真電路圖（如圖11所示）。

【調試】用鼠標左鍵單擊Multisim主窗口界面右上方的仿真開關圖標，然后用鼠標單擊相應的開關元件進行調試。先閉合開關S，使燈泡發(fā)光如圖12所示。

【仿真】重新接通電路。注意觀察，在開關S斷開的時候兩個燈泡的發(fā)光情況（如圖13-a，b，c所示）。

圖13

斷開開關S瞬間，兩個燈泡閃一下才熄滅。

【電路分析】用鼠標單擊軟件中的示波器（xsc1圖標），呈現(xiàn)開關S斷開前后A1支路和A2支路的電壓（或根據(jù)歐姆定律推出電流）變化曲線如圖14-a所示。

圖14

觀察圖14-b，得出結論：當斷開開關S時，有電感線圈的A1支路電壓（或電流）緩慢變小，但是流過該支路的電流方向不變。

觀察圖14-c，得出結論：當斷開開關S時，無電感線圈的A2支路電壓（或電流）瞬間反向，之后逐漸變小。

總之，在高中物理教學中，教師應該勇于探索新的技能，多嘗試使用現(xiàn)代化的教學工具和手段為教學服務，往往能夠達到“他山之石可以攻玉”的神奇效果。

參考文獻

[1]課程教材研究所.普通高中課程標準教科書（物理）[M].人民教育出版社必修（3-2），2010，3.

[2]朱建廉.新課程高中教師手冊（物理）[M].南京大學出版，2012，4.