自制斜面壓力探究儀原理及測試分析

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

(寧夏大學物理電氣信息學院寧夏 銀川750021)

2013年寧夏教育廳本科教學工程項目；2013～2014年寧夏大學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變式壓力傳感器巧妙地將斜面受到的壓力轉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出來，實驗探究過程有利于培養學生的發散思維能力 ．

關鍵詞：斜面壓力電阻壓力傳感器電壓

作者簡介：楊曉梅(1963-)，女，教授，主要從事物理教學論研究.

收稿日期：(2015-05-26)

1引言

實驗是物理學發展的科學基礎，在學習物理的過程中要形成物理概念、掌握物理規律，必須要有一定的感性認識．物理實驗為學習提供獲得這種感性認識的環境，通過實驗能激發學生學習物理的興趣，使學生產生求知的欲望．在高中物理中學習力的合成與分解，通過數學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出來，實驗過程不僅啟發學生探究物理的興趣，而且能讓學生感受到新材料的應用給人類生活和社會發展帶來的影響[1]．

2相關實驗原理[2,3]

2.1電阻應變式傳感器工作原理

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

電阻值可用下式表示

(1)

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

圖1　電阻應變式傳感器示意圖

2.2電阻絲靈敏系數K

通常把單位應變能引起的電阻相對變化量稱為電阻絲的靈敏系數K．當電阻絲受到拉力F作用時，將伸長Δl，橫截面積相應減小ΔS，電阻率因材料晶格發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)

軸向應變

(3)

橫向應變

(4)

式中，μ為電阻絲材料的橫向變形因數，負號表示應變軸向相反．

由式(2)、(3)、(4)可得電阻絲的靈敏系數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)可得相應電阻值R1會減小．

斜面壓力探究儀實驗如圖2所示，根據斜面(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，導致R1增大，回路電流I減小，U2減小．

由式(1)、(6)、(7)、(8)得出：定值電阻R2電壓U2和壓力f有一定對應關系,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的變化關系就等效于壓力與角度的變化關系．

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，調節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，探究斜面壓力f與角度θ的變化關系．

3.4實驗數據

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實驗數據處理

實驗測試數據處理結果如圖4和圖5所示．

圖4　電壓 U 2和角度 θ關系

圖5　斜面壓力 F和角度 θ關系

3.6實驗結論

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系，斜面壓力滿足f=mgcosθ．

4結束語

斜面壓力探究儀是利用電阻應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出來，解決初、高中物理斜面壓力與重力關系的問題．斜面壓力探究儀應用于教學可提升學生用實驗方法解決物理問題的能力，讓學生感受到探究物理規律的樂趣，提高學習物理的興趣．

參 考 文 獻

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

2劉鴻文.材料力學.北京:高等教育出版社，2004.16～20

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