Edison軟件在高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

文/李心誠

Edison軟件在高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

文/李心誠

人教版高中物理教材中的“恒定電流”和 “交變電流”兩個章節(jié)，都涉及有重要的物理實(shí)驗(yàn)，如測量電池的電動勢和內(nèi)阻、測量二極管的正反向電阻、電感和電容對交變電流的影響等。有些學(xué)校由于教學(xué)實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)或?qū)ξ锢淼牟恢匾暤葐栴}，面臨物理實(shí)驗(yàn)室的缺乏，有的即使配有實(shí)驗(yàn)室，因避免學(xué)生損壞實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通常只是老師在講臺上演示一下，這就使得學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)的感性認(rèn)知、操作能力嚴(yán)重缺乏。鑒于此，由匈牙利DesignSoft公司推出的Edison軟件提供了高逼真和強(qiáng)大的電學(xué)實(shí)驗(yàn)功能。同學(xué)們可以直接在該仿真軟件上完成電學(xué)實(shí)驗(yàn)的搭建、數(shù)據(jù)讀取和燈泡亮暗變化的觀察，其優(yōu)良的聲光動畫效果能激發(fā)同學(xué)們的學(xué)習(xí)物理興趣，變枯燥為有趣，在輕松的氛圍下完成實(shí)驗(yàn)。如果學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中不慎損毀元器件，軟件能自動修復(fù)，避免了損失，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)費(fèi)，提高了實(shí)驗(yàn)效率。

1 Edison軟件的特點(diǎn)介紹

1.1 軟件界面的組成

該軟件由雙操作視窗構(gòu)成，左視窗是具有逼真三維效果的“實(shí)驗(yàn)室”，實(shí)驗(yàn)室中間的桌面類似于實(shí)驗(yàn)臺，左上角區(qū)域用來存放實(shí)驗(yàn)用元器件及儀器，包括：交、直流電源、電阻、電位器、滑動變阻器、電感、電容、小電機(jī)、揚(yáng)聲器、示波器、二極管、三極管及常用數(shù)字電路芯片等，右下方區(qū)域是開關(guān)及儀表區(qū)，包括各類常用的開關(guān)、電流表、電壓表、歐姆表、數(shù)字萬用表等測量儀器。右視窗是電路圖分析與編輯窗口，當(dāng)在左邊界面放置實(shí)物時，右邊窗口會出現(xiàn)與左邊實(shí)物相對應(yīng)的電氣符號。

1.2 仿真效果逼真

當(dāng)加在燈泡上的電壓超過其額定電壓時，燈泡在爆裂的同時，通過聲效能聽到爆裂聲；電路中燈泡的亮度會隨著外加電壓的變化而變化；發(fā)光二極管在正向?qū)〞r能被點(diǎn)亮；調(diào)整通過電動機(jī)的電流，可以觀察到其轉(zhuǎn)速的明顯變化，改變電流方向可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的改變，而且通過音響還可以聽見電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的聲音；改變電阻值的大小，電阻標(biāo)識的彩色條碼會自動改變；斷開閉合開關(guān)時能清晰地聽到“嗒”的聲音?？傊普娴姆抡婀δ苁雇瑢W(xué)們有置身于實(shí)驗(yàn)室的效果。

2 Edison軟件應(yīng)用于高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)

2.1 測定電池的電動勢和內(nèi)阻

按照測定電池的電動勢和內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)要求，電源電動勢E、內(nèi)電阻r與路端電壓U、電流I的關(guān)系為：E=U+Ir，只要測出U和I的值，就能測定電源的電動勢E和內(nèi)阻r。首先要搭建電路，將電路中所需元件及電壓表、電流表放置桌面，用鼠標(biāo)連線，注意開關(guān)處于“斷開”狀態(tài)，滑動變阻器的阻值處于最大值，電流表測量通過滑動變阻器的電流I，電壓表測量滑動變阻器兩端的電壓U。因軟件中的電源是理想電源，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路時將一小電阻與理想電源串聯(lián)后等效于實(shí)際電壓源，連接后的電路如圖1所示。閉合開關(guān)，把電壓值和電流值記錄在預(yù)先繪制的表格中，調(diào)節(jié)滑動變阻器使阻值變小，再次記錄電壓值與電流值，通過該實(shí)驗(yàn)可記錄多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對于求出的若干組E和r，最后以E的平均值和r的平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。軟件中的電流表和電壓表有正負(fù)極，如果接反了其讀數(shù)前會顯示“-”。該實(shí)驗(yàn)可以改變理想電源和其串聯(lián)電阻R1的阻值，再次進(jìn)行測量。

圖1 測定電池的電動勢和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)

2.2 測量二極管的正反向電阻

二極管是一種半導(dǎo)體元件，它的特點(diǎn)是電流從正極流入時電阻比較小，而從負(fù)極流入時電阻比較大。當(dāng)多用電表調(diào)至歐姆檔使用時，電表內(nèi)部的電源接通，電流從歐姆表的黑表筆流出，經(jīng)過被測電阻，從紅表筆流入。測量二極管正向電阻時，將黑表筆與二極管正極相連，紅表筆與二極管負(fù)極相連；測量二極管反向電阻時，將黑表筆與二極管負(fù)極相連，紅表筆與二極管正極相連，如圖2所示。從圖2中萬用表歐姆檔的示數(shù)可以看出，二極管正向電阻很小，反向電阻很大。利用該特點(diǎn)也可以對標(biāo)識模糊的二極管進(jìn)行正負(fù)極的判斷。方法是分別對二極管正反向測量其阻值，如兩次阻值都很大說明管子已損壞，若一次阻值較大一次阻值較小，則說明二極管是好的，且阻值較小那次測量時黑表筆連接的那個極即為二極管的正極。

圖2 測量二極管的正反向電阻實(shí)驗(yàn)

2.3 電感對交、直流電路的作用

在Edison軟件中分別搭建如圖3所示的電路。圖3中所示直流電路中，當(dāng)電源電壓一定時，此時電感相當(dāng)于短路，對電流沒有阻礙作用；但在交流電路中，電感對交變電流有阻礙作用。圖3中直流電路中電源電壓為1.5V，此時額定電壓為1.5V的燈泡點(diǎn)亮。交流電路中，交流電設(shè)置為幅值5.5V，頻率400Hz，將相同參數(shù)的電感和燈泡串接于電路中，觀察到直流電路中的燈泡較交流電路中的亮，說明電感對交流電流有阻礙作用，利用該軟件能非常直觀地觀察到該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。也可以改變電感的自感系數(shù)及交變電的頻率，比較這兩個參數(shù)對交變電流的影響。

圖3 電感對交、直流電路的作用實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)語

Edison軟件的3D仿真效果及科學(xué)的電學(xué)特性，使學(xué)生完成高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)更方便、有趣和形象，學(xué)生通過自主搭建的電路實(shí)驗(yàn)取得有效的感性認(rèn)知，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，獲得很好的知識獲取效果，而且該軟件中還包含有其他的電子元器件和儀表，比如利用數(shù)字芯片可以進(jìn)行物理選修3-1中“簡單邏輯電路”部分的實(shí)驗(yàn)仿真；也可以利用軟件中的示波器觀察物理選修3-2中“交變電流”的電壓電流波形顯示。當(dāng)然，仿真實(shí)驗(yàn)畢竟不同于實(shí)物實(shí)驗(yàn)，只有將兩種實(shí)驗(yàn)過程協(xié)調(diào)進(jìn)行，相輔相成，才能使教師的教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果達(dá)到最佳。

（作者單位：南京市田家炳高級中學(xué)）