傳感器在高中物理實驗中的應用研究

【摘要】在傳統實驗條件下，一部分物理實驗難以開展或無法開展，然而，傳感器的引入能為高中物理實驗探究提供新的方向．本文以高中力學實驗和電學實驗為載體，通過具體實例探討傳感器在高中物理實驗中的作用和對高中物理教學的影響，旨在促進傳感器在高中物理實驗教學中更好地發揮效能，提升物理實驗的教學質量．

【關鍵詞】傳感器;高中物理;實驗教學

高中物理實驗是物理教學的重要組成部分，對于學生理解物理概念、掌握物理規律具有不可替代的作用．隨著科技的發展，傳感器技術逐漸走進高中物理實驗室．傳感器能夠將各種物理量轉化為電信號等易于測量和處理的信號，為高中物理實驗帶來了新的活力與可能性．它不僅可以提高實驗的準確性和可視化程度，還能讓學生接觸到現代科技手段，拓寬學生的科學視野．

1 在力學實驗中的應用

例1 用如圖1所示裝置探究“加速度與力的關系”，氣墊導軌上質量為M的滑塊（含遮光條）通過輕質細繩繞過滑輪與拉力傳感器及質量為m的鉤碼相連，遮光條寬度為d．實驗時，滑塊由靜止釋放，測得遮光條通過光電門的時間為t，拉力傳感器的讀數為F．不計滑輪軸、滑輪與輕質細繩之間的摩擦．

（1）用螺旋測微器測出遮光條的寬度d．

（2）為了保證細繩的拉力等于滑塊受到的合外力，下列操作中必要的有（" ）

（A）使鉤碼質量遠小于滑塊質量．

（B）調節氣墊導軌水平．

（C）調節定滑輪使細繩與氣墊導軌平行．

（3）實驗時，改變懸掛鉤碼的質量，每次均從同一位置A由靜止釋放，重復實驗，得到多組數據．已知遮光條起始位置到光電門的距離為L．用圖像法處理數據，最合理應作"" 圖像（選填“t-F”“t2-F”“1t－F”或“1t2－F”），如果圖像是過原點的一條直線，且圖像的斜率為"" （用題中所給物理量字母表示），則表明質量一定時，加速度與合外力成正比．

解析 （2）力傳感器可測出細繩對滑塊的拉力，故不必要使鉤碼質量遠小于滑塊質量，故（A）錯誤；因氣墊導軌與滑塊不接觸，有氣隙，阻力極小，故不必要平衡摩擦力，為了保證細繩的拉力等于滑塊受到的合外力，需要調節氣墊導軌水平、調節定滑輪使細繩與氣墊導軌平行．故（B）（C）正確．

（3）由dt2=2aL，解得a=d22L·1t2，根據牛頓第二定律F=Ma，得到1t2=2LMd2F，因此作1t2－F圖像.如果圖像是過原點的一條直線，且圖像的斜率為2LMd2，則表明質量一定時，加速度與合外力成正比．

點評 在教材實驗中，拉鉤碼的細繩處沒有安裝力傳感器，需要用鉤碼的重力代替細繩的拉力，但是鉤碼向下做加速運動，鉤碼的重力大于細繩的拉力，只有在鉤碼質量遠小于滑塊質量的情況下，鉤碼的重力才近似等于細繩的拉力．細繩處安裝了傳感器后，可以精確測出拉力的大小，為實驗減小了誤差．

2 在電學實驗中的應用

例2 酒駕嚴重危害交通安全，“喝酒不開車”已經成為準則．酒精檢測儀的核心部件為酒精氣體傳感器，其電阻R與酒精氣體濃度c的關系如圖2所示．某校課外學習小組的同學利用該酒精氣體傳感器及一些器材設計了酒精檢測儀，其原理圖如圖3所示．

（1）由于學習小組只有量程為0.5V的電壓表，學習小組的同學們正確使用多用電表歐姆擋測得該電壓表的內阻為120.0Ω，為了把電壓表的量程提升為3V，應將與電壓表串聯的電阻箱R1的阻值調為"" Ω（結果保留一位小數）．

（2）學習小組使用的電源電動勢E=4.5V，內阻r=0.8Ω，若同學們想將酒精氣體濃度為零的位置標注在電壓表3.0V處（表盤已改裝完畢），則應將電阻箱R2的阻值調為"" Ω．

（3）已知酒精氣體濃度在0.2～0.8mg/mL之間屬于飲酒駕駛；酒精氣體濃度達到或超過0.8mg/mL屬于醉酒駕駛．在正確完成步驟（2）、開關閉合的情況下，若酒精氣體傳感器處在酒精氣體濃度為0.8mg/mL的環境中，則電壓表的示數"" （填“大于”“小于”或“等于”）1.5V．

（4）該儀器使用較長時間后，電源內阻增大，但電源電動勢不變，若不做調整直接測量，則此時所測的酒精氣體濃度與真實值相比""" （填“偏大”“偏小”或“不變”）．

解析 （1）根據電壓表的改裝原理可知U=UV+UVRVR1，解得R1=600Ω．

（2）由題意可知改裝后的電壓表內阻為R′V=720Ω，由圖2可知，當酒精氣體濃度為零時，該酒精氣體傳感器電阻R=80Ω，并聯電阻為R并=R′VRR′V+R=72Ω，電壓表讀數為3V，由串聯分壓原理可知R并=2（r+R2），解得R2=35.2Ω．

（3）若酒精氣體傳感器處在酒精氣體濃度為0.8mg/mL的環境中，則R′=20Ω，并聯電阻為

R′并=R′VR′R′V+R′≈19.5Ω，由串聯分壓原理可知U′=R′并R′并+r+R2E≈1.58Vgt;1.5V.

（4）使用較長時間后，電源電動勢不變，內阻增大，若在3V處酒精濃度為0，則酒精氣體傳感器與改裝后的電壓表所并聯的電阻也增大，則酒精氣體傳感器的電阻也增大，由于不做調整直接測量，導致酒精氣體傳感器的電阻偏小，則所測的酒精氣體濃度比真實值偏大．

點評 由圖2可知，不同的酒精濃度對應了不同的酒精氣體傳感器的電阻，通過酒精氣體傳感器的電阻準確地反映出了酒精濃度，而酒精氣體傳感器的電阻直接影響電路中的電流，因此，可根據電表的讀數間接地反映出酒精濃度，其具有測量準確方便的優勢．

3 結語

傳感器在高中物理實驗中的應用為物理實驗教學帶來了諸多優勢，它提高了實驗精度、拓展了實驗內容、激發了學生的學習興趣并培養了學生的科學探究能力．盡管在應用過程中面臨著設備成本、教師培訓和教學理念轉變等挑戰，但通過加強教師培訓和推動教學理念更新等策略，可以有效克服這些挑戰．隨著科技的不斷進步，傳感器技術將在高中物理實驗教學中發揮越來越重要的作用，廣大教育工作者應積極探索和推廣傳感器在高中物理實驗中的應用，不斷提升高中物理實驗教學的質量和水平．

參考文獻：

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