基于Multisim与Origin的中学物理实验

高方绮 谢晓康

摘     要：Multisim是一款电路仿真软件，Origin是一款科学绘图与数据分析软件。在中学物理电路实验中，通过Multisim软件对电路仿真，得出比较准确的实验数据，再利用Origin软件对得到的数据进行图像的描绘和拟合。以人教版高中物理选修3-1“测定电源的电动势和内阻”为例，利用Multisim软件和Origin软件进行电路仿真和图像拟合。对拟合后的数据进行分析，得出电源的电动势和内阻。结果表明，用软件对实验进行仿真和数据处理，既可以提高学生做实验的兴趣，又可以锻炼学生的计算机操作能力。

关键词：中学物理实验；Multisim软件；Origin软件；仿真和拟合；电源电动势和内阻

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）8-0065-4

物理是一门实践性很强的学科，学生在学习物理的过程中，实验是学生理解概念、总结规律的重要学习方式。因学校设备不足、材料损耗、操作效果不佳等原因，很多传统的物理实验不能有效操作或只能由教師演示，无法达到教学所期望的效果。随着互联网和计算机技术的发展，传统的教学方式逐渐发展为传统教学方式与现代计算机仿真技术有效结合的新型教学方式。因此，在中学物理实验教学过程中，结合仿真软件和画图软件等计算机技术改进或辅助物理实验，一方面可以充分激发学生学习的兴趣，另一方面可以使学生对知识的了解更加直观，从而加深学生对理论知识的理解和掌握。

Multisim作为一款电路仿真软件，具有非常丰富的仿真分析能力。其电路元件包含电阻、电容、电源、二极管以及开关等，测量工具包括万用表、示波器、函数发生器以及频率计数器等。Origin是一款科学绘图、数据分析软件。一方面，它可以进行数据运算、函数拟合、各类谱线分析、数字信号分析和统计分析等数据分析；另一方面，它还可以进行各种二维、三维和多图层图形的绘制等。所以，在用软件处理数据的过程中，既可以锻炼学生的计算机操作能力，又能为后续的实验打下扎实的基础。文章以人教版高中物理选修3-1“测定电源的电动势和内阻”实验为例，用Multisim软件对测量电源电动势和内阻的实验进行仿真，对电路图进行搭建，并利用Origin软件对仿真后的数据进行图像描绘和拟合。最后，对拟合后的数据进行分析，得出电源的电动势和内阻。

1    测定电源电动势和内阻的方法

1.1    伏安法

图1为伏安法测量电源电动势和内阻的电路图，其中电源电动势为E，内阻为r，与路端电压U、电流I的关系可以写成

E=U+Ir（1）

如果能得到关于U，I的两组数据，就可以列出两个关于E，r的方程组，从中解出E和r。

1.2    电流表与滑动变阻器测量法

用电流表、滑动变阻器也可以测定电源电动势和内阻，电路图如图2所示。

E=IR+Ir（2）

如果能得到I，R的两组数据，也可以列出两个关于E，r的方程组，从中解出E和r。

1.3    电压表与滑动变阻器测量法

用电压表、滑动变阻器也可以测定电源电动势和内阻，测量电路如图3所示。

如果能得到U，R的两组数据，同样能通过解方程组求出E和r。

2    Multisim仿真电路图

2.1    伏安法

电源电动势为E，内阻为r，滑动变阻器R1的阻值范围为0 Ω～10 Ω，万用表XMM1为电流表，万用表XMM2为电压表，如图4所示。闭合开关，调节滑动变阻器的阻值由0 Ω～10 Ω变化，得出电压表和电流表的数值，如表1所示。

将仿真后的测试数据通过Origin软件绘制出坐标图。其中，横轴为A（X），纵轴为B（Y），Long Name为横坐标和纵坐标的名称，Units为横坐标和纵坐标的单位，Comments可以不填写。将实验测得的数据填入表2中，表中横坐标A（X）代表的是电流值，纵坐标B（Y）代表的是电压值。

由表2中的数据，利用Origin描绘出U-I图像，如图5所示。对所描绘的图像进行线性拟合，拟合方程为y=a+bx，图6中的直线和表3分别为U-I的拟合图像和拟合参数。从表3可以看出，拟合相关系数为0.999 99，接近于1，说明拟合度较好。拟合曲线（线性拟合时曲线为直线）与Y 轴的截距a=1.499 3，即得到电路电源电动势约为1.5 V，拟合方程（曲线方程）的斜率b=-0.198 68，即电源内阻约为0.2 Ω。

2.2    电流表和滑动变阻器测量法

电源电动势为E，内阻为r，滑动变阻器R1的阻值范围为0 Ω～20 Ω，万用表XMM1为电流表，如图7所示。闭合开关，调节滑动变阻器的阻值由0 Ω～20 Ω变化，得出电流表的数值，并通过U=IR计算电阻两端的电压数值，如表4所示。

采用相同的线性拟合方程y=a+bx，对所描绘的图像进行线性拟合，可得到拟合图像（图8）。通过调取线性拟合参数表格（与表3类似，这里没有展示）可得，拟合相关系数在精度范围内为1，说明拟合度完美。截距a=1.500 01，即电路中电源电动势约为1.5 V，拟合方程的斜率b= -0.200 02，即电源内阻约为0.2 Ω。

2.3    电压表和滑动变阻器测量法

电源电动势为E，内阻为r，滑动变阻器R1的阻值范围为0 Ω～20 Ω，万用表XMM1为电压表，如图9所示。闭合开关，调节滑动变阻器R1的阻值由0 Ω～20 Ω变化，得出电压表的数值，并通过I=U/R计算流过电阻的电流数值，如表5所示。

采用相同的线性拟合方程y=a+bx，对描绘的图像进行线性拟合，得到拟合图像（图10）。拟合相关系数为0.999 59，拟合度非常好。拟合曲线与Y轴的截距a=1.499 61，即电路中电源电动势约为1.5 V，拟合曲线的斜率b=-0.197 64，即电源内阻约为0.2 Ω。

3    结  语

通过Multisim软件搭建电路的过程中，修改相关参数可以形象、直观地得出不同电阻下的电压-电流变化关系，极大地提高了效率。利用Origin软件描绘出测量数据的U-I图像，并通过线性拟合得出电源电动势和内阻。这些直观的实验结果可以明显提高实验结论的可靠性和学生学习的积极性。

参考文献：

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［２］叶卫平．Oｒｉｇｉｎ ９．１ 科技绘图及数据分析［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１５．

［３］陈军，施树春．高中物理实验中ORIGIN软件的应用探讨［Ｊ］．甘肃高师学报，２０１１，16（５）：８０－８２．

［４］董玉冰．Ｍｕｌｔｉｓｉｍ９ 在电工电子技术中的应用［Ｍ］.北京：清华大学出版社，２００８．

［５］李海娜，陈源．Ｍｕｌｔｉｓｉｍ 仿真及分析在电路教学中的应用［Ｊ］．电子世界，２０１６（４）：１６１－１６４．

（栏目编辑    贾伟尧）