自制斜面壓力探究儀原理及測試分析*

楊曉梅呂釗釗孫慧娟

(寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院寧夏 銀川750021)

2013年寧夏教育廳本科教學(xué)工程項目；2013～2014年寧夏大學(xué)一省一校教師教育提升項目.

摘 要：自制斜面壓力探究儀是利用電阻應(yīng)變式壓力傳感器巧妙地將斜面受到的壓力轉(zhuǎn)換成定值電阻上的電壓，運用等效代換的方法將斜面壓力的變化通過電壓變化直觀呈現(xiàn)出來，實驗探究過程有利于培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維能力 ．

關(guān)鍵詞：斜面壓力電阻壓力傳感器電壓

作者簡介：楊曉梅(1963-)，女，教授，主要從事物理教學(xué)論研究.

收稿日期：(2015-05-26)

1引言

實驗是物理學(xué)發(fā)展的科學(xué)基礎(chǔ)，在學(xué)習(xí)物理的過程中要形成物理概念、掌握物理規(guī)律，必須要有一定的感性認(rèn)識．物理實驗為學(xué)習(xí)提供獲得這種感性認(rèn)識的環(huán)境，通過實驗?zāi)芗ぐl(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，使學(xué)生產(chǎn)生求知的欲望．在高中物理中學(xué)習(xí)力的合成與分解，通過數(shù)學(xué)計算可知斜面受到物體的壓力隨斜面與水平面的夾角增大而減小．本文利用自制斜面壓力探究儀巧妙地將斜面壓力轉(zhuǎn)換成定值電阻的電壓，運用等效代換的方法將斜面壓力的變化通過電壓變化直觀呈現(xiàn)出來，實驗過程不僅啟發(fā)學(xué)生探究物理的興趣，而且能讓學(xué)生感受到新材料的應(yīng)用給人類生活和社會發(fā)展帶來的影響[1]．

2相關(guān)實驗原理[2,3]

2.1電阻應(yīng)變式傳感器工作原理

電阻應(yīng)變式傳感器如圖1所示，傳感器中的電阻應(yīng)變片具有金屬的應(yīng)變效應(yīng)，即在外力作用下產(chǎn)生機械形變，從而使電阻值隨之發(fā)生相應(yīng)的變化．

電阻值可用下式表示

(1)

式中：ρ為金屬導(dǎo)體的電阻率( Ω·cm/m)，S為導(dǎo)體的截面積(cm2)，L為導(dǎo)體的長度(m).

圖1　電阻應(yīng)變式傳感器示意圖

2.2電阻絲靈敏系數(shù)K

通常把單位應(yīng)變能引起的電阻相對變化量稱為電阻絲的靈敏系數(shù)K．當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時，將伸長Δl，橫截面積相應(yīng)減小ΔS，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了dρ，從而引起電阻值相對變化量為

(2)

軸向應(yīng)變

(3)

橫向應(yīng)變

(4)

式中，μ為電阻絲材料的橫向變形因數(shù)，負(fù)號表示應(yīng)變軸向相反．

由式(2)、(3)、(4)可得電阻絲的靈敏系數(shù)K

(5)

2.3斜面壓力探究儀實驗原理

本實驗選用FSR406壓力傳感器，其特點是重量輕，體積小，感測精度高，其K值為0.1～10 kg/cm2，測量范圍1～100 N．當(dāng)壓力傳感器受外力作用壓縮時，長度L減小截面積S增大，由式(1)可得相應(yīng)電阻值R1會減?。?/p>

斜面壓力探究儀實驗如圖2所示，根據(jù)斜面(與水平面夾角為θ)受物體的壓力為

f=mgcosθ

(6)

可以得出：隨著θ減小f增大，由此長度L減小，面積S增大，導(dǎo)致R1減小，由全電路歐姆定律可知回路電流I為

(7)

定值電阻R2的電壓U2為

U2=IR2

(8)

由式(7)、(8)得出電流I增大，U2增大．

圖2　斜面壓力探究儀實驗示意圖

同理θ增大f減小，由此長度L增大，面積S減小，導(dǎo)致R1增大，回路電流I減小，U2減?。?/p>

由式(1)、(6)、(7)、(8)得出：定值電阻R2電壓U2和壓力f有一定對應(yīng)關(guān)系,通過探究實驗測定電阻R2兩端的電壓U2，研究電壓U2與角度θ的變化關(guān)系就等效于壓力與角度的變化關(guān)系．

3實驗過程

3.1實驗所需器材

實驗所需器材如表1所示．

表1　實驗器材清單

3.2探究儀實驗實物圖

探究儀實驗實物如圖3所示．

圖3　斜面壓力探究儀實物圖

3.3實驗步驟

(1)如圖3所示連接好電路，電壓表量程為3 V，電阻箱定值電阻R2=10 000 Ω；

(2)將質(zhì)量為200 g砝碼放在斜面電阻壓力傳感器上；

(3)通過自制可控斜面裝置上量角器角度示數(shù)，調(diào)節(jié)斜面與水平面之間的夾角θ；

(4)接通電路，改變夾角觀察電壓表的示數(shù)，探究斜面壓力f與角度θ的變化關(guān)系．

3.4實驗數(shù)據(jù)

實驗測量電壓、角度與斜面壓力理論值如表2所示．

表2　測量斜面角度、電阻電壓與斜面壓力理論值

3.5實驗數(shù)據(jù)處理

實驗測試數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖4和圖5所示．

圖4　電壓 U 2和角度 θ關(guān)系

圖5　斜面壓力 F和角度 θ關(guān)系

3.6實驗結(jié)論

通過對圖4與圖5對比分析可以看出:定值電阻R2的電壓U2隨斜面角度θ的增大非線性減小的變化趨勢與壓力f隨角度θ的變化趨勢相同，用電壓可等效代換壓力來研究斜面壓力與角度關(guān)系．斜面壓力隨角度的增大而減小，且斜面壓力與角度不成線性關(guān)系，斜面壓力滿足f=mgcosθ．

4結(jié)束語

斜面壓力探究儀是利用電阻應(yīng)變式壓力傳感器將斜面受到的壓力通過定值電阻電壓的變化直觀呈現(xiàn)出來，解決初、高中物理斜面壓力與重力關(guān)系的問題．斜面壓力探究儀應(yīng)用于教學(xué)可提升學(xué)生用實驗方法解決物理問題的能力，讓學(xué)生感受到探究物理規(guī)律的樂趣，提高學(xué)習(xí)物理的興趣．

參 考 文 獻(xiàn)

1教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(實驗).北京:人民教育出版社,2003.6～12

2劉鴻文.材料力學(xué).北京:高等教育出版社，2004.16～20

3李艷,李新娥，等.應(yīng)變式壓力傳感器及其應(yīng)用電路設(shè)計.計量與測試技術(shù)，2007(12):32～33