第３９卷湖北师范大学学报(自然科学版)Ｖｏｌ ３９第４期ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｕｂｅｉＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ(ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ)Ｎｏ ４ꎬ２０１９
Ｍｕｌｔｉｓｉｍ９在小灯泡串并联电路中的应用
张学文ꎬ司佑全
(湖北师范大学物理与电子科学学院ꎬ湖北黄石㊀４３５００２)
摘要：讨论了Ｍｕｌｔｉｓｉｍ９在灯泡串并联电路中的应用ꎮ利用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ９元件库中的小灯泡ꎬ将不同规格灯泡串并联ꎬ观察灯泡明暗变化情况ꎬ得到灯泡明暗与其实际消耗的功率大小有关ꎮ实际功率越大ꎬ灯泡越亮ꎮ通过预设灯泡的断路故障ꎬ学会对电路串并联电路作相应的电路分析ꎮ在教学中将Ｍｕｌｔｉｓｉｍ９与灯泡串并联电路结合起来ꎬ观察直观形象ꎬ有益于提高学生对电学知识的理解ꎮ
关键词:Ｍｕｌｔｉｓｉｍꎻ串联电路ꎻ并联电路ꎻ仿真ꎻ故障
中图分类号:ＴＮ７１０.９㊀㊀文献标识码:Ｂ㊀㊀文章编号:２０９６－３１４９(２０１９)０４－００８４－０５
ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.２０９６－３１４９.２０１９.０４.０１５
电路实验中所用的小灯泡很容易烧坏ꎬ给实验带来不便ꎬ利用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ９元件库中的虚拟灯泡ꎬ电压和功率可以通过对话框设定ꎬ烧坏后ꎬ若供电电压正常ꎬ会自动恢复[１]ꎮ通过观察不同规格灯泡串并联电路灯泡明暗变化情况ꎬ来分析灯泡实际消耗的功率和额定功率之间的关系ꎮ同时通过预设灯泡的断路故障ꎬ学会串并联电路的分析方法ꎮ
１㊀额定电压相同㊁额定功率不同的２个灯泡串并联
１.１㊀额定电压相同㊁额定功率不同的２个灯泡串联
将额定电压相同㊁额定功率不同的２个灯泡串联在电路中ꎬ观察㊁分析电源电压为:ａ)等于单个灯泡额定电压ꎻｂ)等于２个灯泡额定电压之和ꎬ这２种情况下灯泡的明暗情况ꎮ
如图１所示将３Ｖ/１Ｗ的灯泡Ｘ１和３Ｖ/２Ｗ的灯泡Ｘ２串联ꎬ改变电源电压ꎬ观察灯泡明暗变化情况ꎮ
图１中灯泡采用虚拟灯泡ꎬ电压和功率可以通过对话框设定ꎬ烧坏后ꎬ若供电电压正常ꎬ它会自动恢复ꎮ
㊀㊀㊀㊀
ａ电源电压为３Ｖ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ｂ电源电压为６Ｖ
图１㊀额定电压相同㊁额定功率不同的２个灯泡串联
１)电源电压为３Ｖ时ꎬ初一看ꎬ２Ｗ>１Ｗꎬ学生会认为Ｘ２亮一些ꎬ将Ｘ１㊁Ｘ２串联后接在３Ｖ的电路上时ꎬ灯泡两端的电压都将小于３Ｖꎬ它们所消耗的实际功率也不是１Ｗ和２Ｗꎬ到底哪个灯泡的实收稿日期:２０１９－０６－１１
作者简介：张学文(１９６５ ㊀)ꎬ女ꎬ湖北黄冈人ꎬ本科ꎬ高级实验师ꎬ从事电子技术实验研究.
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际功率大呢?Ｘ１电阻为９ΩꎬＸ２电阻为４.５ΩꎬＩ＝Ｕ
Ｒ＝
３
９＋４.５＝０.２２２Ａꎬ计算值与图２中电流表
测量值一致ꎮ由Ｐ＝Ｉ２Ｒꎬ两灯的实际功率均小于各自的额定功率ꎮ
电源电压为３Ｖ时ꎬ由图１ａ可见ꎬＸ１亮(呈黄)ꎬＸ２较暗ꎮ流过串联电路每个元件的电流相同ꎬ由图１ａ可见Ｘ１两端电压较Ｘ２两端电压大ꎬＸ１额定功率较Ｘ２小ꎬ其电阻较大ꎬ根据Ｐ＝Ｉ２Ｒꎬ灯泡Ｘ１比灯泡Ｘ２获得的实际功率大ꎬ因此较亮ꎮ(实际功率越大灯泡就越亮)
２)电源电压为６Ｖ时ꎬ由图１ｂ可见ꎬＸ１过亮(灯丝呈红)ꎬ很可能烧坏ꎬＸ２正常亮(呈黄)ꎬ由Ｐ＝ＩＵꎬ３Ｖ/１Ｗ的灯泡Ｘ１额定电流为０.３３３Ａꎬ３Ｖ/２Ｗ的灯泡Ｘ２额定电流为０.６６７Ａ.Ｘ１获得的实际功率１.７７６Ｗ已经超过其额定值１Ｗꎬ灯丝很可能烧坏ꎮ
Ｘ１电阻为９ΩꎬＸ２电阻为４.５Ωꎬ此时ꎬＩ＝ＵＲ＝６９＋４.５＝０.４４４ＡꎬＰ＝Ｉ２Ｒꎬ灯泡Ｘ１实际消耗的功率１.７７６Ｗ(已经超过其额定值１Ｗꎬ灯丝有烧坏危险)ꎬ灯泡Ｘ２实际消耗的功率０.８８７Ｗꎬ消耗功率大的灯泡Ｘ１较亮ꎮ由Ｕ＝ＩＲꎬ灯泡Ｘ１上的电压４.０Ｖꎬ灯泡Ｘ２上的电压２.０Ｖ.
如果灯泡Ｘ１㊁Ｘ２上的电压相等ꎬ这样可以避免Ｘ１过亮烧坏ꎮ由于串联电路电流相同ꎬ要使灯泡Ｘ１㊁Ｘ２上的电压相等ꎬ即要使Ｘ１㊁Ｘ２两端电阻相等ꎬ而Ｘ１电阻为９ΩꎬＸ２电阻为４.５Ωꎬ即需要在Ｘ１两端并联一个９Ω的电阻ꎬ图２ｂ所示ꎮ
㊀㊀㊀㊀
ａ两灯泡电压不相等㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ｂ两灯泡电压相等
图２㊀电源电压等于２个灯泡额定电压之和
串联电路中ꎬ额定电压相同的小灯泡ꎬ在电源电压适度的情况下ꎬ额定功率较大的小灯泡其电阻值较小ꎬ分配到的电压也较小ꎬ致使额定功率小的小灯泡实际功率比额定功率大的小灯泡的实际功率大ꎮ对不同规范的电阻进行串联时ꎬ亦应根据实际情况进行具体分析ꎬ避免产生电阻损坏情况ꎮ１.１.２㊀串联电路故障判断
图１ｂ所示电路ꎬ利用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ９故障设置功能ꎬ设置故障ꎬ实际结果如图３所示ꎬ电路中电流表读数为０ꎬ两灯泡均不亮ꎮ灯泡Ｘ２两端的电压为０ꎬ满足欧姆定律ꎬ故灯泡Ｘ２正常ꎬ电源电压全部降落在灯泡Ｘ１上ꎬ可以得到灯泡Ｘ１断路[３]ꎮ
图３㊀串联电路开路故障
１.２㊀额定电压相同、功率不同的２个灯泡并联
将额定电压相同功率不同的２个灯泡并联ꎬ观察并分析电源电压:ａ)小于额定电压ꎻｂ)等于额定电压ꎻｃ)大于额定电压ꎬ这３种情况下灯泡的明暗情况[４]ꎮ如图４所示ꎮ
当电源电压不超过灯泡额定电压时ꎬ３Ｖ/２Ｗ的灯泡Ｘ２比３Ｖ/１Ｗ的灯泡Ｘ１亮一些ꎮ当电源电
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压超过灯泡额定电压时ꎬ灯泡过亮ꎬ有可能烧坏[５]ꎮ
㊀㊀㊀㊀
ａ电源电压小于额定电压㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ｂ电源电压等于额定电压㊀㊀㊀㊀
ｃ电源电压大于额定电压(灯泡过亮)㊀㊀㊀㊀㊀㊀ｄ电源电压大于额定电压(灯泡烧坏)图４㊀额定电压相同㊁功率不同的灯泡并联Ｐ＝Ｕ２ＲꎬＲ＝Ｕ２Ｐꎬ额定电压相同的两个灯泡ꎬ额定功率大的电阻小ꎬ当额定电压相同的灯泡并联时ꎬＰ实际＝Ｕ２Ｒꎬ实际功率与电阻成反比ꎬ电阻小的灯泡实际功率大ꎬ即额定功率大的灯泡较亮ꎬ额定功率小的灯泡较暗ꎮ
１.２.１㊀并联电路故障图４ｂ所示电路ꎬ利用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ９故障设置功能ꎬ设置故障ꎬ实际结果如图５所示ꎮ电源电压等于灯泡额定电压ꎬ灯泡Ｘ１不亮ꎬ流过它的电流为０ꎬ灯泡Ｘ２正常发光ꎬ故灯泡Ｘ１断路ꎮ
图５㊀并联电路故障(开路)
２㊀额定功率相同㊁额定电压不同的２个灯泡串并联
２.１㊀额定功率相同㊁额定电压不同的２个灯泡串联
将２只３Ｖ/１Ｗ的灯泡Ｘ１ꎬ５Ｖ/１Ｗ的灯泡Ｘ２ꎬ串联后经过开关接到ａ)小于２个灯泡额定电压之和(６Ｖ)ꎻｂ)等于２个灯泡额定电压之和(８Ｖ)ꎻｃ)大于２个灯泡额定电压之和(１１Ｖ)ꎬ这３种情况下灯泡的明暗情况ꎮ如图６所示ꎮ
当电源电压小于２个灯泡额定电压之和时ꎬ每个灯泡实际消耗的功率都小于额定功率ꎻ电源电压等于２个灯泡额定电压之和时ꎬ额定电压大的灯泡更亮ꎬ有可能烧坏ꎻ电源电压大于２个灯泡额定电压之和时ꎬ额定电压大的灯泡可能烧坏ꎮ
功率相同㊁额定电压不同的灯泡串联ꎬＲ＝Ｕ２Ｐꎬ额定电压大的灯泡电阻大ꎬ串联电路电流相同ꎬ由
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Ｐ实际＝Ｉ２Ｒꎬ额定电压大的灯泡亮一些ꎮ
㊀㊀㊀㊀
ａ电源电压等于６Ｖ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ｂ电源电压等于８Ｖ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ｃ电源电压等于１１Ｖ图６㊀功率相同㊁额定电压不同的灯泡串联２.２㊀功率相同额定电压不同的２个灯泡并联
将２只３Ｖ/１Ｗ的灯泡Ｘ１ꎬ５Ｖ/１Ｗ的灯泡Ｘ２ꎬ并联后接到ａ)３Ｖꎻｂ)４Ｖꎻｃ)５Ｖ电源上ꎬ观察分
析每个灯泡实际功率与额定功率相比较的情况[６~７]ꎮ如图７所示ꎮ
㊀㊀㊀㊀
ａ电源电压３Ｖ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ｂ电源电压４Ｖ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ｃ电源电压５Ｖ图７㊀功率相同㊁额定电压不同的２个灯泡并联功率相同㊁额定电压不同的２个灯泡并联ꎬ由图７可见ꎬ额定电压越大的灯泡其实际功率越
小[８~１０]ꎮ图７ａ当电源电压等于Ｘ１的额定电压时ꎬＸ１实际功率等于额定功率ꎬＸ２实际功率小于额定功率ꎮ图７ｂ当电源电压大于Ｘ１的额定电压ꎬ小于Ｘ２的额定电压时ꎬＸ１实际功率大于额定功率(Ｘ１有可能烧坏)ꎬＸ２实际功率小于额定功率ꎮ图７ｃ当电源电压等于Ｘ２的额定电压时ꎬＸ１烧坏ꎬＸ２实际功率等于额定功率ꎮ
实际功率越大灯泡就越亮ꎬ灯泡的亮暗是由灯泡的实际功率决定的ꎬ电功率的公式有ꎬＰ＝Ｕ２ＲꎬＰ＝ＩＵꎬ研究电功率跟电阻的关系时ꎬ如果电流一定ꎬ从Ｐ＝Ｉ２Ｒ可知ꎬ电功率跟电阻成正比ꎻ若电压
一定ꎬ从Ｐ＝Ｕ２Ｒ
可知ꎬ电功率跟电阻成反比ꎬ条件不同ꎬ电功率跟电阻的比例关系是不同的ꎮ同理ꎬ在研究电功率跟电压的关系时ꎬ如果电流一定ꎬ从Ｐ＝ＩＵ可知ꎬ电功率跟电压成正比ꎻ如
果电阻一定ꎬ从Ｐ＝Ｕ２Ｒ可知ꎬ电功率跟电压的平方成正比ꎮ３㊀总结
通过灯泡的明暗以及电流表㊁电压表的读数可以判断电路中小灯泡的断路故障[１１]ꎮ额定电压相同㊁额
定功率不同的两个灯泡串联起来ꎬ其额定功率小的灯泡较亮ꎬ额定功率大的灯泡较暗ꎻ额定电压相同㊁额定功率不同的两个灯泡并联起来ꎬ其额定功率大的灯泡较亮ꎬ额定功率小的灯泡较暗ꎮ额定功率相同㊁额定电压不同的两个灯泡串联起来ꎬ额定电压大的灯泡较亮ꎬ额定电压小的灯泡较暗ꎻ额定功率相同㊁额定电压不同的两个灯泡并联起来ꎬ额定电压小的灯泡较亮ꎬ额定电压大的灯泡较暗ꎮ
将Ｍｕｌｔｉｓｉｍ９引入灯泡的串并联电路ꎬ可以直观地观察灯泡的明暗变化ꎬ增加了学习乐趣ꎬ达到事
半功倍的效果ꎮ实践证明ꎬＭｕｌｔｉｓｉｍ９仿真平台的引入是提高学生学习兴趣的有效途径之一[１２~１３]ꎮ
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ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＭｕｌｔｉｓｉｍ９ｉｎｓｍａｌｌｂｕｌｂｓｅｒｉｅｓ￣ｐａｒａｌｌｅｌｃｉｒｃｕｉｔｓ
ＺＨＡＮＧＸｕｅ￣ｗｅｎꎬＳＩＹｏｕ￣ｑｕａｎ
(ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅꎬＨｕｂｅｉＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＨｕａｎｇｓｈｉ４３５００２ꎬＣｈｉｎａ)
multisim电流表在哪Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒꎬｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＭｕｌｔｉｓｉｍ９ｉｎｂｕｌｂｓｅｒｉｅｓ￣ｐａｒａｌｌｅｌｃｉｒｃｕｉｔｓｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ.ＵｓｉｎｇｔｈｅｓｍａｌｌｌｉｇｈｔｂｕｌｂｓｉｎｔｈｅＭｕｌｔｉｓｉｍ９ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｌｉｂｒａｒｙꎬｔｈｅｂｕｌｂｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓａｒｅｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｓｅｒｉｅｓａｎｄｐａｒａｌｌｅｌｔｏｏｂｓｅｒｖｅｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｔｈｅｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｌｉｇｈｔｂｕｌｂꎬｗｈｉｃｈｇｉｖｅｓｔｈｅｒｅｓｕｌｔｔｈａｔｔｈｅｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｌｉｇｈｔｂｕｌｂｉｓｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅ
ａｃｔｕａｌｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ.Ｔｈｅｈｉｇｈｅｒｔｈｅａｃｔｕａｌｐｏｗｅｒꎬｔｈｅｂｒｉｇｈｔｅｒｔｈｅｂｕｌｂ.Ｂｙｐｒｅｓｅｔｔｉｎｇｔｈｅｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｆａｕｌｔｏｆｔｈｅｂｕｌｂꎬｓｔｕｄｅｎｔｓｃａｎｌｅａｒｎｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｓｅｒｉｅｓｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｐａｒａｌｌｅｌｃｉｒｃｕｉｔ.ＩｎｔｈｅｔｅａｃｈｉｎｇꎬＭｕｌｔｉｓｉｍ９ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｂｕｌｂｓｅｒｉａｌ￣ｐａｒａｌｌｅｌｃｉｒｃｕｉｔｃａｎｂｅｅｎｏｂｓｅｒｖｅｄｖｉｓｕａｌｌｙꎬｗｈｉｃｈｉｓｂｅｎｅｆｉｃｉａｌｔｏｉｍｐｒｏｖｅｓｔｕｄｅｎｔｓ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｋｎｏｗｌｅｄｇｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:Ｍｕｌｔｉｓｉｍ９ꎻｓｅｒｉｅｓｃｉｒｃｕｉｔꎻｐａｒａｌｌｅｌｃｉｒｃｕｉｔꎻｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎻｍａｌｆｕｎｃｔｉｏｎ
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