利用Multisim及Excel软件测量电源电动势和内阻

汪鹏 柴志方

摘 要：测量电源电动势与内阻以及相应的误差分析一直是高中物理实验教学的重点和难点.介绍了Multisim软件，并使用该软件开展测电源电动势与内阻的仿真实验.实验过程中用伏安法测量了电源的输出电压随电流的变化规律，在此基础上研究了电源内阻对实验过程的影响，进而采用Excel软件处理实验数据.最后对实验的误差进行了分析，并讨论了使用Multisim软件和Excel软件开展实验以及进行数据处理的优势.

关键词：电源电动势;内阻;物理教学;Multisim

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）17-0038-04

作者简介：汪鹏（1997-），男，安徽池州人，硕士研究生，研究方向：中学物理教学;

柴志方（1977-），男，河北邢台人，博士，副教授，研究方向：物理教育.

测量电源电动势与内阻是2017年版普通高中课程标准中的必修实验[1]REF_Ref55241599＼r＼h＼*MERGEFORMAT，其原理方法常见的有伏安法、伏阻法、安阻法[2]REF_Ref54985503＼r＼h＼*MERGEFORMAT.但是，因为实验室器材老旧等原因，做出的实验结果误差很大，非常影响实验教学的效果.目前计算机技术的发展为物理实验教学提供了强大的辅助作用.将Multisim等电路仿真软件应用在物理电学实验教学中，不仅摆脱了传统实验器材的束缚，还可以使教学过程非常直观形象，易于学生理解，锻炼学生的动手操作能力.Multisim有非常直观的界面和丰富的原件库，并且仿真时操作非常简单，教师和学生都十分容易上手，非常适合在高中物理实验课程中推广.

1 测电源电动势的基本原理

在高中物理教学中，测电源电动势与内阻的基本方法有3种，分别为伏安法、安阻法、伏阻法.本文以伏安法为例进行简要介绍.如图1所示，主要使用的实验器材有滑动变阻器、电流表、电压表.不考虑电表本身的阻值，即看成理想电流表（电流表内阻为0）、理想电压表（电压表内阻无穷大）.那么根据闭合回路的欧姆定律

式（1）表明，因为电源电动势和内阻一般看成定值，则路端电压U和电路的电流I是呈现线性关系的.通过调节滑动变阻器，测出多个（Ii，Ui）数据，在坐标轴上描点画线，画出此（Ii，Ui）的直线.由这条直线图像可以得出斜率与截距，并根据（1）式可知，截距的值即为电源电动势E，直线斜率的绝对值即为电源内阻r[3].

2 Multisim 14 简介

Multisim 14 是一款基于Windows系统的仿真工具.Multisim 操作界面如图2所示.该软件以圖形界面的形式，再加上工具栏、仪器栏、元器件库等，可以让使用者十分方便地构建起仿真电路.Multisim的元器件非常丰富，涵盖了所有电子电路需要的元器件，在软件中可以完成几乎所有的电子电路仿真，并且软件中仪器的图形与实物外形基本一致，大大增强了仿真电路的实用性.在创建实验电路时，元器件和测试仪器均可以在操作界面上直接拖拽，电路的连接也只需要通过鼠标的拖动即可，在线路拐弯处自动生成直角形状，线路连接非常标准美观.并且仿真精度高，对计算机配置要求较低，入门容易，使用方便.

3 利用Multisim及Excel仿真测电源电动势与内阻

3.1 电路连接及实验

用Multisim软件进行电路仿真可以分为以下4步：第一，选取元器件.打开Multisim 14软件，即可在元器件库中直接选取所需要的元器件，鼠标点击确认即可拖动元器件到电路工作区的任意位置.第二，设置元器件.按照实验的要求，使用鼠标左键双击元器件即可设定元件的具体参数，使用鼠标右键单击元器件即可控制元器件的旋转与翻转角度等调整元件的摆放方位.第三，连接电路.Multisim中的每个元器件都自带有连接点，将所有电路元器件都按照要求摆放在电路工作区后，只需要通过鼠标，按照电路图，依次连接每个元器件的连接点即可完成电路的连接.当然要注意的是，在电路图中必须要接地.因为接地就是给电路设置了一个参考点，方便计算出电路中其他各点的电位.这也是仿真软件与真实实验有所区别的地方.第四，进行仿真，得出数据.电路连接完毕后，只需要用鼠标点击电路工作区上方的绿色三角形仿真开关，即可开始进行仿真.通过电路中电表所显示的数值，或是一些电路中的探针，即可收集到数据.

按照上述电路图1，进行仿真.先在元器件库中依次选取电源、开关、电阻、电流表等必要的工作元件，将其分别拖到电路工作区，按照电路图进行连接.再设定电源电压为2.95V，内阻为1.1Ω，电流表内阻为1Ω，电压表内阻为10kΩ.连接好电路进行仿真，如图3所示.

调节图3中的滑动变阻器，每次使滑动变阻器阻值增加总阻值的10%，通过电流表和电压表进行读数，并将数据记录在Excel表格中，见表1.为了探究不同内阻阻值对实验结果的影响，在上面实验结束后，再将内阻阻值分别调整为0.5Ω、5Ω和10Ω，再重复采集U-I数据，结果同样在表1呈现.

3.2 应用Excel软件对数据进行分析

在Excel软件中，选中表1中的仿真数据，单击“插入”菜单中的图表，选中“XY散点图”，再选中散点图，添加坐标轴标题，即可设置好横、纵坐标的标题与单位.之后右键单击散点图中的数据点，选择“添加趋势线”.勾选线性以及显示公式，即可显示出由所测数据拟合的直线，以及它的方程[4].上述数据得出的散点图如图4所示，直线方程分别为：

3.3 误差分析

内阻为1.1Ω的直线的方程是y=-2.0993x+2.9497.根据（1）式，可得电源电动势E为2.9497V，内阻为2.0993Ω.但是一开始设定参数时，设定了电源电动势为2.95V，内阻为1.1Ω，这就存在了误差.

图1所示的电路图误差来源于电流表的分压[5]，即电压表所测电压实际为电流表和电源电动势两端电压之和，考虑到电流表的影响，根据闭合回路的欧姆定律，（1）式应修正为

则所测电源电动势应修正为2.9497V，内阻为1.0993Ω，这与设定值就非常接近.之所以还存在误差，主要是因为在仿真记录数据时，电流值只保留到小数点后4位，所以会导致微小的误差.

4 利用Multisim及Excel进行实验教学的优势

4.1 弥补真实物理实验的不足

在测电源电动势与内阻的真实实验教学环节中，新电源的电动势往往非常小，利用实验往往很难准确测定出来.并且测电动势E与内阻r的前提都是假定E、r为定值，但实际情况是，电池的内阻是电流放电的函数，放电电流越大，内阻越小，放电时间越长，内阻越大[6].所以电源本身的特性也会导致测电动势与内阻存在较大误差，并且无法避免.

利用仿真软件，可以预先设定好电源电动势及内阻的参数，这就避免了真实实验中电源内阻随着放电的进行，内阻值不断变化的现象，并且所得实验数据理想，易于学生得出正确的结论.教师亦可以结合各种探针的运用，更加直观地让学生感受到电路各部分的数据情况，增强学生对整体电路图的理解与掌握.

4.2 摆脱实验器材、地点的限制

在中学物理实验教学中，部分地区受到经济等方面的限制，以及重视程度的不够[7]，实验器材可能不全或者损耗严重，对物理实验造成了非常大的限制，并且实验结果往往误差很大.对学生的学习认知以及教学效果都造成了非常不好的影响.而利用Multisim软件进行实验教学，只需要一台普通的电脑即可，不需要各式各样的实验仪器，也不需要专门的物理实验室，可以大大节约学校经费.

并且，通过仿真软件，可以随意改变电路元件的参数进行探究.如探究内阻的大小对实验的影响，可以十分方便地利用Multisim更改电路内阻参数，得出其U-I图像，如图4所示.通过比较4条直线，学生可以更加直观地感受到内阻在电路中所起到的作用，了解内阻的大小对U-I图像斜率的影响，从而更加深刻地认识电路U-I图像斜率的绝对值就是内阻这一知识点.而在真实的物理实验条件下，每个电源的内阻是无法改变的，也就无法做到对不同内阻情况的探究.

4.3 提高实验教学效率

从学生了解各种实验器材，进行电路的连接，到按步骤进行操作、观察，记录及分析数据，得出实验结果，这些过程需要耗费大量的时间，并且过程中可能会出现种种意外，对教学的进度造成极大的干扰.

利用Multisim仿真软件进行仿真实验，它能克服实物实验中难以克服的困难，最大限度地排除实物实验中产生误差的影响，提高实验精度.并且电路的连接、仿真实验、收集数据等非常快捷方便.利用Excel进行数据分析，不仅减小了学生用笔计算大量数据的繁琐过程，还可以使实验结果呈现更直观，极大地提高了学习效率.

4.4 增强学生的学习兴趣与动手能力

许多学校以及教师受到应试教育思维的影响，普遍存在着重视理论轻视实验的思想[8].并且受到课程时数的限制，在实际的测电动势与内阻实验教学中，往往只会以教师口头讲解或是演示的方式进行，进行蜻蜓点水式的渗透，强调学生去背记一些结论和重点来代替真实的实验操作，而不是让学生真正地参与其中，亲自动手去做实验，亲自去体会物理实验的魅力和科学规律.这也就完全偏离了设置物理实验教学的初心，久而久之，学生对物理实验的学习兴趣就会慢慢丧失，学生的动手能力、分析能力、解决问题的能力也就难以得到培养.

将Multisim以及Excel软件引入到物理实验教学，会给学生带来更好的沉浸感，更丰富的学习体验.大大增强学生对实验的兴趣，提升其对电路、电源等物理概念的感性认识.配合着教师系统性的授课讲解，可以更好地促进学生感性认识与理性认识的深度融合，将抽象的电路原理图转换为实实在在的电路映射在学生脑海里，在学生进行仿真的过程中不断深化理解，不断提高学生的实际操作能力.

5 结束语

利用Multisim及Excel进行测电源电动势与内阻的实验教学，克服了传统实物实验的种种弊端，不失为一种较好的物理实验教学手段.并且，不仅仅是上课时教师可以指导学生利用软件进行学习，在课前的预习环节和课后的复习巩固环节，这些软件对于学生实验课程的学习都可以起到非常好的促进作用.在高中物理实验教学中，应该积极摒弃实验教学的僵化模式，利用目前发展较为成熟的各种科学技术，积极探索新的物理实验教学思路.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]李叶贤.对测量电源电动势和内阻实验幾种不同方法的解析[J].物理教师，2014，35（02）：45-46.

[3]何述平.图像法处理测电源电动势和内阻数据的研究[J].物理教师，2013，34（08）：58-60.

[4]张杰，刘丹.利用Excel求电源电动势和内阻[J].物理教师，2005（02）：44.

[5]李爱芹.“伏安法测电源电动势和内阻”实验中的系统误差分析的误区[J].物理教师，2014，35（02）：49-50.

[6]陈国杰，陈奎，谢嘉宁，陈伟成.电源电动势与内阻测量实验的误区与改进[J].中学物理教学参考，2016，45（14）：93-94.

[7]刘宏伟.高中物理实验教学中的问题及其策略探析[J].中学物理教学参考，2015，44（02）：24.

[8]江山.让物理实验回归物理探索的本义[J].中学物理教学参考，2014，43（Z1）：2-6.

（收稿日期：2021-05-14）