融合Multisim技術(shù)的中學(xué)物理可視化實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐*
——以“電磁振蕩”為例

楊清宇 郝睿

(寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院 寧夏 銀川 750021)

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)的可視化教學(xué)有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)其對(duì)物理規(guī)律的進(jìn)一步理解和應(yīng)用．實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)的課堂可視化，不僅豐富了教學(xué)內(nèi)容和環(huán)節(jié)，而且提高了學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力．物理實(shí)驗(yàn)可視化教學(xué)是對(duì)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種補(bǔ)充，也是一種新的嘗試和改革，在實(shí)際教學(xué)中發(fā)揮著不可替代的作用[1]．同時(shí)，2017版2020年修訂的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中，明確提出“通過(guò)多樣化的教學(xué)方式，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生理解物理學(xué)的本質(zhì)，整體認(rèn)識(shí)自然界，形成科學(xué)思維習(xí)慣，增強(qiáng)科學(xué)探究能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力”[2]．加之2020年疫情突發(fā)，為落實(shí)“停課不停學(xué)”，各個(gè)學(xué)校都開展了線上教學(xué)．在有限的時(shí)間內(nèi)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)解決了由于各種原因無(wú)法在學(xué)校學(xué)習(xí)時(shí)，缺乏實(shí)驗(yàn)教具的問(wèn)題，從而更有效地補(bǔ)充課堂，提升教學(xué)效果[3]．

1 Multisim意義建構(gòu)的應(yīng)用

Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器(NI)有限公司推出的仿真軟件，它具有豐富的電路原理圖的圖形仿真功能，適合課程的輔助教學(xué)，對(duì)于改革教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段，加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力具有重要意義．虛擬實(shí)驗(yàn)是實(shí)際實(shí)驗(yàn)的一種輔助方式，既可以作為學(xué)生課前的準(zhǔn)備工作，也可以成為一些實(shí)驗(yàn)室無(wú)法開設(shè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的模擬，把被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)，從而提高學(xué)生的積極性，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰4]．而在大多數(shù)傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)中，特別是電磁類實(shí)驗(yàn)，儀器復(fù)雜，概念抽象，使學(xué)生學(xué)習(xí)認(rèn)知更加困難，不易理解．Multisim仿真軟件在物理教學(xué)中的應(yīng)用，可以為學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)具有自由、方便、安全等特性的學(xué)習(xí)環(huán)境，為學(xué)生能夠進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)以及合作學(xué)習(xí)創(chuàng)造條件[5]．

本文在實(shí)物實(shí)驗(yàn)開發(fā)的基礎(chǔ)上，結(jié)合Multisim 11.0軟件，以電學(xué)物理實(shí)驗(yàn)——“電磁振蕩”為案例進(jìn)行示范應(yīng)用討論．

2 電磁振蕩實(shí)驗(yàn)可視化實(shí)施的必要性

電磁振蕩是人教版普通高中物理選擇性必修2第四章“電磁振蕩與電磁波”的第一節(jié)，是開篇引入內(nèi)容，也是該章的重點(diǎn)內(nèi)容．該節(jié)內(nèi)容綜合運(yùn)用了電場(chǎng)和磁場(chǎng)的性質(zhì)，以及電磁感應(yīng)現(xiàn)象．學(xué)習(xí)該節(jié)不僅復(fù)習(xí)了前面的知識(shí)，還會(huì)為后續(xù)電磁波的產(chǎn)生、傳播以及應(yīng)用的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)．部分電磁振蕩儀器復(fù)雜，現(xiàn)象不明顯，不易觀察電路中電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能的相互轉(zhuǎn)化過(guò)程，而能量相互轉(zhuǎn)換過(guò)程又是學(xué)生們需要掌握的一大難點(diǎn)，故電磁振蕩的可視化教學(xué)顯得非常必要．

3 電磁振蕩可視化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 電磁振蕩演示器

筆者所在課題組結(jié)合課程內(nèi)容先行自制了電磁振蕩演示器，借助靈敏電流計(jì)實(shí)現(xiàn)電磁振蕩中電流變化規(guī)律的可視化．開關(guān)置于左端時(shí)，高靈敏電流計(jì)指針從0刻度向左偏轉(zhuǎn)到2刻度后，又開始向右偏轉(zhuǎn)到右端刻度2，依次往復(fù)衰減，直至在0周圍小幅度擺動(dòng)，最后居于0刻度，結(jié)束振蕩[6]．借助電流計(jì)指針的擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)了電磁振蕩電路中電流大小和方向做周期性變化的可視化環(huán)節(jié)，具體過(guò)程如圖1所示．實(shí)驗(yàn)給予學(xué)生電磁振蕩的直觀體驗(yàn)，但對(duì)波形規(guī)律變化的細(xì)節(jié)無(wú)從知曉，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)生時(shí)間短，適合作為探究規(guī)律，揭示現(xiàn)象的引入輔助實(shí)驗(yàn)．

為了顯示電磁振蕩中電流的具體變化規(guī)律，將上面的高靈敏電流計(jì)替換成微電流傳感器，得到如圖2所示的阻尼振蕩和無(wú)阻尼振蕩的電流變化波形圖[6]．由于各種因素的影響，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不穩(wěn)定，曲線不夠光滑．

3.2 朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

與上述實(shí)驗(yàn)原理相同，只是將串聯(lián)在電路中的電流傳感器或靈敏電流計(jì)換成并聯(lián)在電容器兩端的電壓傳感器，即把測(cè)量輸出端電流變成了測(cè)量輸出電壓，實(shí)驗(yàn)?zāi)K如圖3所示．調(diào)整實(shí)驗(yàn)界面為“示波”顯示方式，設(shè)置“采樣頻率”為1 kHz；接通學(xué)生電源，將S撥到1，電容開始充電，然后將S撥到2，在LC回路上產(chǎn)生電磁振蕩，單擊“停止”后，回放實(shí)驗(yàn)圖像．直接用電壓傳感器輸出波形，可以迅速直觀地看到電容兩端的電壓波形圖．

圖3 電磁振蕩模塊圖

圖4中電壓隨時(shí)間的變化曲線說(shuō)明，前幾秒在進(jìn)行電容器充電，所以電壓波形是一個(gè)6 V的恒定電壓，隨后電容器給電感放電，所以是一個(gè)衰減的過(guò)程，也就是阻尼振蕩過(guò)程．該實(shí)驗(yàn)將電壓傳感器與電感連接到電學(xué)實(shí)驗(yàn)板中，可以直觀方便地看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖．但實(shí)驗(yàn)?zāi)K太小，導(dǎo)線雜亂，學(xué)生無(wú)法看清楚其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不易理解和具體分析其原理，也無(wú)法展示無(wú)阻尼振蕩實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．

圖4 電壓波形圖

3.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.3.1 阻尼電磁振蕩

上述演示實(shí)驗(yàn)通過(guò)傳感器可方便快捷地呈現(xiàn)電磁振蕩過(guò)程中電流和電壓的變化規(guī)律，從而揭示電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能在電容和電感之間的轉(zhuǎn)換．受實(shí)驗(yàn)器材數(shù)量所限，學(xué)生不能方便地展開自由的自主探究，特別是在不能提供實(shí)驗(yàn)教具的條件下，純理論的教學(xué)不利于學(xué)生對(duì)該過(guò)程的理解．采用虛擬軟件可以使學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究實(shí)驗(yàn)過(guò)程，便于觀察分析結(jié)果，特別是對(duì)線上教學(xué)給予支撐．實(shí)驗(yàn)原理演示如圖5所示．

圖5 阻尼振蕩實(shí)驗(yàn)原理圖

打開Multisim軟件，在元器件庫(kù)中調(diào)用所需的器件，放置后如圖6所示．此時(shí)，電源電壓為9 V，電容容抗為10 μF，電感感抗為220 μH．當(dāng)單刀雙擲開關(guān)J1在左側(cè)時(shí)，電源給電容器充電，電容器處于充電狀態(tài)，電壓為9 V．當(dāng)開關(guān)J1撥到右側(cè)時(shí)，電容器和電感進(jìn)行充放電過(guò)程．由于示波器只能測(cè)量電壓波形，故在LC回路串聯(lián)一個(gè)儀表工具欄中的current probe(電流探針)，再將尾部的端線接到示波器觀察即可，如圖7所示．

圖6 阻尼振蕩仿真電路圖

圖7 電流波形

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：起始開關(guān)J1沒(méi)有切換時(shí)，電容電壓一直為9 V(圖9)，電感電壓為零(圖8)．

圖8 電感電壓波形

圖9 電容電壓波形

當(dāng)開關(guān)J1向右切換后，電容電壓從9 V開始進(jìn)行放電，電感從零開始充電，電壓、電流隨即開始隨時(shí)間振蕩變化，磁場(chǎng)能和電場(chǎng)能之間開始發(fā)生轉(zhuǎn)化．實(shí)際電磁振蕩中，一部分能量轉(zhuǎn)化成熱能，另一部分轉(zhuǎn)化為電磁波傳遞出去，所以能量則不斷減少[7]．

3.3.2 無(wú)阻尼振蕩電路

如圖10所示，在阻尼振蕩電路上添加一個(gè)由三極管、電容器、電阻構(gòu)成的固化能量補(bǔ)充模塊，形成反饋式LC振蕩電路．能量補(bǔ)充模塊可以周期性地給整個(gè)電路補(bǔ)充能量，是由于模塊中的三極管有放大電流的作用，利用這個(gè)放大元件，使得不斷被消耗的振蕩信號(hào)被反饋放大，從而輸出一個(gè)幅值和頻率比較穩(wěn)定的信號(hào)，這樣就補(bǔ)償了電路中的能量損失，使得電路維持等幅振蕩，實(shí)現(xiàn)無(wú)阻尼振蕩，電路仿真如圖11所示．

圖10 無(wú)阻尼振蕩實(shí)驗(yàn)原理圖

圖11 無(wú)阻尼振蕩仿真電路圖

實(shí)驗(yàn)波形圖如圖12，13，14所示，可以很好地看到電流、電壓的變化波形圖，在沒(méi)有能量損失的情況下，振蕩電流和電壓的振幅保持不變，振蕩一直持續(xù)下去．

圖12 電流波形

圖13 電感電壓波形

圖14 電容電壓波形

軟件首先可以很好地繪制出電磁振蕩結(jié)構(gòu)和原理圖，借助示波器又可直觀方便地得到清楚穩(wěn)定的波形，受到的影響因素少，實(shí)驗(yàn)原件擺放和原理介紹易于向?qū)W生介紹．再者，可以隨意改變電路元件參數(shù)，獲得多種數(shù)據(jù)，仿真出不同的效果．最后，還可以用示波器同時(shí)觀測(cè)到幾組數(shù)據(jù)變化，方便學(xué)生對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論研究．在一堂物理教學(xué)課程中，如果加入虛擬儀器的使用，有了現(xiàn)代信息技術(shù)的支撐，既有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也有利于實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的可視化教學(xué)，以突破教學(xué)重難點(diǎn)，提高教學(xué)效果，豐富學(xué)生的信息技術(shù)運(yùn)用技能．

4 結(jié)論

本文以電磁振蕩實(shí)驗(yàn)為例，展示了不同實(shí)驗(yàn)方式的可視化設(shè)計(jì)，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，讓學(xué)生更好地融入課堂．在演示實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)一步優(yōu)化，利用Multisim 11.0軟件在該實(shí)驗(yàn)中的具體應(yīng)用，充分體現(xiàn)現(xiàn)代信息技術(shù)在物理教學(xué)中的輔助作用．學(xué)生自主學(xué)習(xí)繪制實(shí)驗(yàn)原理圖，不僅提升了學(xué)生的興趣，也使學(xué)生學(xué)會(huì)現(xiàn)代信息技術(shù)，體現(xiàn)了普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中的教學(xué)方式多樣化．把虛擬技術(shù)引用到物理課堂，增加了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，但是信息技術(shù)的應(yīng)用會(huì)使學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力下降．所以，要把虛擬儀器和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，讓學(xué)生在理解實(shí)驗(yàn)原理后自己進(jìn)行簡(jiǎn)單的元器件調(diào)用和組裝．不同實(shí)驗(yàn)手段多元組合，多角度增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力，以提高教學(xué)質(zhì)量和效率．同時(shí)，仿真手段的介入也可以在一定程度上緩解部分學(xué)校實(shí)驗(yàn)儀器不足以及線上教學(xué)缺乏教具等相關(guān)問(wèn)題．