自制斜面压力探究仪原理及测试分析

自制斜面压力探究仪原理及测试分析*

杨晓梅吕钊钊孙慧娟

(宁夏大学物理电气信息学院宁夏 银川750021)

2013年宁夏教育厅本科教学工程项目；2013～2014年宁夏大学一省一校教师教育提升项目.

摘 要：自制斜面压力探究仪是利用电阻应变式压力传感器巧妙地将斜面受到的压力转换成定值电阻上的电压，运用等效代换的方法将斜面压力的变化通过电压变化直观呈现出来，实验探究过程有利于培养学生的发散思维能力 ．

关键词：斜面压力电阻压力传感器电压

作者简介：杨晓梅(1963-)，女，教授，主要从事物理教学论研究.

收稿日期：(2015-05-26)

1引言

实验是物理学发展的科学基础，在学习物理的过程中要形成物理概念、掌握物理规律，必须要有一定的感性认识．物理实验为学习提供获得这种感性认识的环境，通过实验能激发学生学习物理的兴趣，使学生产生求知的欲望．在高中物理中学习力的合成与分解，通过数学计算可知斜面受到物体的压力随斜面与水平面的夹角增大而减小．本文利用自制斜面压力探究仪巧妙地将斜面压力转换成定值电阻的电压，运用等效代换的方法将斜面压力的变化通过电压变化直观呈现出来，实验过程不仅启发学生探究物理的兴趣，而且能让学生感受到新材料的应用给人类生活和社会发展带来的影响[1]．

2相关实验原理[2,3]

2.1电阻应变式传感器工作原理

电阻应变式传感器如图1所示，传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化．

电阻值可用下式表示

(1)

式中：ρ为金属导体的电阻率( Ω·cm/m)，S为导体的截面积(cm2)，L为导体的长度(m).

图1　电阻应变式传感器示意图

2.2电阻丝灵敏系数K

通常把单位应变能引起的电阻相对变化量称为电阻丝的灵敏系数K．当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长Δl，横截面积相应减小ΔS，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了dρ，从而引起电阻值相对变化量为

(2)

轴向应变

(3)

横向应变

(4)

式中，μ为电阻丝材料的横向变形因数，负号表示应变轴向相反．

由式(2)、(3)、(4)可得电阻丝的灵敏系数K

(5)

2.3斜面压力探究仪实验原理

本实验选用FSR406压力传感器，其特点是重量轻，体积小，感测精度高，其K值为0.1～10 kg/cm2，测量范围1～100 N．当压力传感器受外力作用压缩时，长度L减小截面积S增大，由式(1)可得相应电阻值R1会减小．

斜面压力探究仪实验如图2所示，根据斜面(与水平面夹角为θ)受物体的压力为

f=mgcosθ

(6)

可以得出：随着θ减小f增大，由此长度L减小，面积S增大，导致R1减小，由全电路欧姆定律可知回路电流I为

(7)

定值电阻R2的电压U2为

U2=IR2

(8)

由式(7)、(8)得出电流I增大，U2增大．

图2　斜面压力探究仪实验示意图

同理θ增大f减小，由此长度L增大，面积S减小，导致R1增大，回路电流I减小，U2减小．

由式(1)、(6)、(7)、(8)得出：定值电阻R2电压U2和压力f有一定对应关系,通过探究实验测定电阻R2两端的电压U2，研究电压U2与角度θ的变化关系就等效于压力与角度的变化关系．

3实验过程

3.1实验所需器材

实验所需器材如表1所示．

表1　实验器材清单

3.2探究仪实验实物图

探究仪实验实物如图3所示．

图3　斜面压力探究仪实物图

3.3实验步骤

(1)如图3所示连接好电路，电压表量程为3 V，电阻箱定值电阻R2=10 000 Ω；

(2)将质量为200 g砝码放在斜面电阻压力传感器上；

(3)通过自制可控斜面装置上量角器角度示数，调节斜面与水平面之间的夹角θ；

(4)接通电路，改变夹角观察电压表的示数，探究斜面压力f与角度θ的变化关系．

3.4实验数据

实验测量电压、角度与斜面压力理论值如表2所示．

表2　测量斜面角度、电阻电压与斜面压力理论值

3.5实验数据处理

实验测试数据处理结果如图4和图5所示．

图4　电压 U 2和角度 θ关系

图5　斜面压力 F和角度 θ关系

3.6实验结论

通过对图4与图5对比分析可以看出:定值电阻R2的电压U2随斜面角度θ的增大非线性减小的变化趋势与压力f随角度θ的变化趋势相同，用电压可等效代换压力来研究斜面压力与角度关系．斜面压力随角度的增大而减小，且斜面压力与角度不成线性关系，斜面压力满足f=mgcosθ．

4结束语

斜面压力探究仪是利用电阻应变式压力传感器将斜面受到的压力通过定值电阻电压的变化直观呈现出来，解决初、高中物理斜面压力与重力关系的问题．斜面压力探究仪应用于教学可提升学生用实验方法解决物理问题的能力，让学生感受到探究物理规律的乐趣，提高学习物理的兴趣．

参 考 文 献

1教育部.普通高中物理课程标准(实验).北京:人民教育出版社,2003.6～12

2刘鸿文.材料力学.北京:高等教育出版社，2004.16～20

3李艳,李新娥，等.应变式压力传感器及其应用电路设计.计量与测试技术，2007(12):32～33