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Matlab模拟电容器充放电过程的瞬态可视化
【摘 要电容器充放电过程的可视化有助于理解电容器的物理特性和其他相关物理知识的学习。对于容量较小的电容器，充放电速度相对较快，最大电压可在短时间内达到。本文用于观察电容器在充放电过程中电压的瞬态变化Matlab的工具箱Simulink，模拟电容器充放电过程，可视化电容器上电压的动态变化过程。通过模拟电路，可以直观地展示充放电的瞬态过程，加深对电容器物理性质的理解。
【关键词】电容器；可视化；Matlab
1.引言
物理是一门基于实验的学科，物理实验对高中物理知识的理解和掌握具有重要意义。在物理学科的学习过程中，受实验条件的限制，对于一些课堂物理教师不做或不容易做演示实验，我们可以使用一些强大的计算机生产软件，设计虚拟仿真实验，更好地再现一些物理实验过程，观察、分析实验现象、总结、总结实验结论，更好地了解相关的物理原理和规律。
随着信息时代的到来，互联网技术的快速发展，物理知识的学习发生了巨大的变化。特别是模拟软件的出现，拓宽了学习物理知识的途径。本文以高中物理中电容器的充放为例。Matlab该软件再现了充放电过程中电压随时间的变化，使每个人都能更好地理解计算机软件在学习物理知识中的应用和意义，并从中获得一些启示。
2.提出的方法
在高中物理教材中，电容器电容的表达式如下：C=Q/U，但是，电容C和Q、U没关系。充放电时，电容器极板上的电量Q及其两板之间的电压U随时间T变化。而且一般时间短，不易观察分析变化。电容器充放电过程中的瞬态变化通常包括两种方法。第一种方法是建立实际的电容器电路，将电容器元件与电源和电阻连接起来。第二种方法是利用计算机软件技术构建虚拟仿真电路。它的应用类似于多媒体技术与仿真技术相结合的交互式人工世界――虚拟现实(Virtual Reality简称VR)。它能创造出身临其境、完全真实的感觉，就像在真实现实中体验一样。
本文采用数学计算软件的第二种方法Matlab中，使用Simulink工具箱搭建虚拟仿真电路。与实际电路类似，虚拟电路主要包括四个部分：电源、电阻、电容和示波器，如图1所示。电阻的主要功能是模拟电源的电阻特性，即实际电源通常具有一定的等效电阻。将示波器连接到电容器的两端。通过改变电源输入的直流电压，可以观察电容器充放电过程中电压的变化。值得注意的是，这种虚拟仿真实验不仅具有可扩展性，而且在计算机虚拟环境环境中完成现实条件下不可能完成的实验。
3.实验结果
本文提出了虚拟仿真电路的实验过程和结果。通过改变图1中电源输入的直流电压和电容器的初始电压，观察电容器充电的瞬态过程。首先，测试电容器的初始电压为0V充电过程。加载直流电源，如图2所示(a)如图所示，电源的总作用时间为[0，10s]，在[0，5s]电压为0V，在[5s，10s]在范围内，电压范围为1V。图2(b)给出了充电时的变化过程，从图中可以看出[5s，10s]电压范围为1V，电容器开始充电，电压逐渐升高，但没有跳转过程。这种现象表明，电压是由电容器上的电荷产生的，电荷的积累需要一定的时间。此外，我们还注意到，电容器的充电过程不仅时间很短，而且充电电压也越来越慢。
以下是非零初始电压的电容器充电过程。图3(a)在[0s，1s]电源电压为0V，不供电；在[1s，10s]在范围内，电源的电压范围为1V。与图2不同的是，图3(b)所示电容器有1V所以在[0s，1s]在范围内，电容器实际放电，电压下降，最低值为0.3V。电源开始供电，电容器处于充电过程中，电压继续上升。图3(b)图2显示的电压上升曲线(b)类似，主要体现在如下两个层面：第一，电压并非随时间线性增大，而且，充电的速度变慢。二是电容器上的电压非线性增加，逐渐接近电源电压，时间越长越接近。电容器是高中物理知识中除二极管外的另一个典型非线性元件，在电路分析中经常遇到。
图2输入直流信号的电容器充电瞬态过程，(a)直流输入信号，(b)输出电容器信号
图3电容器初始电压为1V时充放电过程。(a)直流输入信号，(b)输出电容器信号
4.结论
本文提出一种利用Matlab软件可视化电容器充放电过程。Simulink工具箱的电子设备构建虚拟模拟电路，观察直流电源作为输入，电容器的初始电压为零和非零。实验结果表明，计算机软