基于Multisim與Origin的中學物理實驗

高方綺 謝曉康

摘? ? ?要：Multisim是一款電路仿真軟件，Origin是一款科學繪圖與數據分析軟件。在中學物理電路實驗中，通過Multisim軟件對電路仿真，得出比較準確的實驗數據，再利用Origin軟件對得到的數據進行圖像的描繪和擬合。以人教版高中物理選修3-1“測定電源的電動勢和內阻”為例，利用Multisim軟件和Origin軟件進行電路仿真和圖像擬合。對擬合后的數據進行分析，得出電源的電動勢和內阻。結果表明，用軟件對實驗進行仿真和數據處理，既可以提高學生做實驗的興趣，又可以鍛煉學生的計算機操作能力。

關鍵詞：中學物理實驗；Multisim軟件；Origin軟件；仿真和擬合；電源電動勢和內阻

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）8-0065-4

物理是一門實踐性很強的學科，學生在學習物理的過程中，實驗是學生理解概念、總結規律的重要學習方式。因學校設備不足、材料損耗、操作效果不佳等原因，很多傳統的物理實驗不能有效操作或只能由教師演示，無法達到教學所期望的效果。隨著互聯網和計算機技術的發展，傳統的教學方式逐漸發展為傳統教學方式與現代計算機仿真技術有效結合的新型教學方式。因此，在中學物理實驗教學過程中，結合仿真軟件和畫圖軟件等計算機技術改進或輔助物理實驗，一方面可以充分激發學生學習的興趣，另一方面可以使學生對知識的了解更加直觀，從而加深學生對理論知識的理解和掌握。

Multisim作為一款電路仿真軟件，具有非常豐富的仿真分析能力。其電路元件包含電阻、電容、電源、二極管以及開關等，測量工具包括萬用表、示波器、函數發生器以及頻率計數器等。Origin是一款科學繪圖、數據分析軟件。一方面，它可以進行數據運算、函數擬合、各類譜線分析、數字信號分析和統計分析等數據分析；另一方面，它還可以進行各種二維、三維和多圖層圖形的繪制等。所以，在用軟件處理數據的過程中，既可以鍛煉學生的計算機操作能力，又能為后續的實驗打下扎實的基礎。文章以人教版高中物理選修3-1“測定電源的電動勢和內阻”實驗為例，用Multisim軟件對測量電源電動勢和內阻的實驗進行仿真，對電路圖進行搭建，并利用Origin軟件對仿真后的數據進行圖像描繪和擬合。最后，對擬合后的數據進行分析，得出電源的電動勢和內阻。

1? ? 測定電源電動勢和內阻的方法

1.1? ? 伏安法

圖1為伏安法測量電源電動勢和內阻的電路圖，其中電源電動勢為E，內阻為r，與路端電壓U、電流I的關系可以寫成

E=U+Ir（1）

如果能得到關于U，I的兩組數據，就可以列出兩個關于E，r的方程組，從中解出E和r。

1.2? ? 電流表與滑動變阻器測量法

用電流表、滑動變阻器也可以測定電源電動勢和內阻，電路圖如圖2所示。

E=IR+Ir（2）

如果能得到I，R的兩組數據，也可以列出兩個關于E，r的方程組，從中解出E和r。

1.3? ? 電壓表與滑動變阻器測量法

用電壓表、滑動變阻器也可以測定電源電動勢和內阻，測量電路如圖3所示。

如果能得到U，R的兩組數據，同樣能通過解方程組求出E和r。

2? ? Multisim仿真電路圖

2.1? ? 伏安法

電源電動勢為E，內阻為r，滑動變阻器R1的阻值范圍為0 Ω～10 Ω，萬用表XMM1為電流表，萬用表XMM2為電壓表，如圖4所示。閉合開關，調節滑動變阻器的阻值由0 Ω～10 Ω變化，得出電壓表和電流表的數值，如表1所示。

將仿真后的測試數據通過Origin軟件繪制出坐標圖。其中，橫軸為A（X），縱軸為B（Y），Long Name為橫坐標和縱坐標的名稱，Units為橫坐標和縱坐標的單位，Comments可以不填寫。將實驗測得的數據填入表2中，表中橫坐標A（X）代表的是電流值，縱坐標B（Y）代表的是電壓值。

由表2中的數據，利用Origin描繪出U-I圖像，如圖5所示。對所描繪的圖像進行線性擬合，擬合方程為y=a+bx，圖6中的直線和表3分別為U-I的擬合圖像和擬合參數。從表3可以看出，擬合相關系數為0.999 99，接近于1，說明擬合度較好。擬合曲線（線性擬合時曲線為直線）與Y 軸的截距a=1.499 3，即得到電路電源電動勢約為1.5 V，擬合方程（曲線方程）的斜率b=-0.198 68，即電源內阻約為0.2 Ω。

2.2? ? 電流表和滑動變阻器測量法

電源電動勢為E，內阻為r，滑動變阻器R1的阻值范圍為0 Ω～20 Ω，萬用表XMM1為電流表，如圖7所示。閉合開關，調節滑動變阻器的阻值由0 Ω～20 Ω變化，得出電流表的數值，并通過U=IR計算電阻兩端的電壓數值，如表4所示。

采用相同的線性擬合方程y=a+bx，對所描繪的圖像進行線性擬合，可得到擬合圖像（圖8）。通過調取線性擬合參數表格（與表3類似，這里沒有展示）可得，擬合相關系數在精度范圍內為1，說明擬合度完美。截距a=1.500 01，即電路中電源電動勢約為1.5 V，擬合方程的斜率b= -0.200 02，即電源內阻約為0.2 Ω。

2.3? ? 電壓表和滑動變阻器測量法

電源電動勢為E，內阻為r，滑動變阻器R1的阻值范圍為0 Ω～20 Ω，萬用表XMM1為電壓表，如圖9所示。閉合開關，調節滑動變阻器R1的阻值由0 Ω～20 Ω變化，得出電壓表的數值，并通過I=U/R計算流過電阻的電流數值，如表5所示。

采用相同的線性擬合方程y=a+bx，對描繪的圖像進行線性擬合，得到擬合圖像（圖10）。擬合相關系數為0.999 59，擬合度非常好。擬合曲線與Y軸的截距a=1.499 61，即電路中電源電動勢約為1.5 V，擬合曲線的斜率b=-0.197 64，即電源內阻約為0.2 Ω。

3? ? 結? 語

通過Multisim軟件搭建電路的過程中，修改相關參數可以形象、直觀地得出不同電阻下的電壓-電流變化關系，極大地提高了效率。利用Origin軟件描繪出測量數據的U-I圖像，并通過線性擬合得出電源電動勢和內阻。這些直觀的實驗結果可以明顯提高實驗結論的可靠性和學生學習的積極性。

參考文獻：

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（欄目編輯? ? 賈偉堯）