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2.4 压力传感器

传感器及其在物理实验中的应用 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 压力传感器是将压力信号转换为电信号的装置,核心元件通常是压敏电阻。

从哪来 它建立在 7.1 交变电流图像 之上。虽然压力传感器多用于直流电路,但理解其输出信号随时间变化的波形(如压力波动导致的电流波动)需要借助交变电流图像中“随时间变化的物理量”这一核心概念,特别是正弦式或周期性变化量的分析逻辑。

为什么 压力传感器的工作原理基于半导体材料的压阻效应。当外力作用在压敏电阻上时,其内部晶格结构发生微小形变,导致载流子迁移率改变或电阻率发生变化,从而引起电阻值改变。根据欧姆定律 $I=U/R$,在电压恒定的电路中,电阻的变化直接导致电流的变化。因此,通过测量电流(或电压)的变化,就可以反推出所受压力的大小。

讲法
适合:逻辑推理型、喜欢探究原理的学生 从微观机制入手。先讲导体电阻定律 $R=\rho L/S$,再引入半导体特性:压力导致晶格间距变化,进而改变电阻率 $\rho$。强调“力 $\rightarrow$ 形变 $\rightarrow$ 电阻率变化 $\rightarrow$ 电阻变化 $\rightarrow$ 电流变化”的因果链条。让学生明白传感器不是“产生”电,而是“调制”电路参数。
讲法
适合:形象思维型、喜欢动手实验的学生 使用“水阀”类比。把电路比作水管,电压是水压,电阻是水管的粗细/阀门开度,电流是水流。压力传感器就像一个“智能阀门”,压力越大,阀门越紧(电阻变大)或越松(电阻变小,取决于具体类型),水流(电流)随之改变。让学生通过观察电流表指针偏转来直观感受“力”与“电”的联系。
讲法
适合:应试导向型、关注解题技巧的学生 直接建立数学模型。给出公式 $R = R_0 + k \cdot F$(线性近似)或 $R = R_0 / (1 + k \cdot F)$(非线性),重点训练如何结合闭合电路欧姆定律 $I = \frac{E}{R + r + R_{ext}}$ 进行计算。强调在动态分析中,抓住“压力变化 $\rightarrow$ 电阻变化 $\rightarrow$ 总电阻变化 $\rightarrow$ 总电流变化 $\rightarrow$ 路端电压/支路电流变化”的分析路径。
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练一道
基础题
某压力传感器由压敏电阻 $R$ 和定值电阻 $R_0$ 串联组成,接在电压恒为 $U$ 的电源上。已知 $R$ 的阻值随压力 $F$ 增大而减小。当压力 $F$ 增大时,电路中的电流 $I$ 如何变化?
变式
在上题基础上,若电源电动势为 $E$,内阻为 $r$,电压表并联在定值电阻 $R_0$ 两端。当压力 $F$ 突然增大时,电压表示数如何变化?请说明理由。
试试手自己判
检测题
如图所示电路,电源电动势 $E$ 和内阻 $r$ 恒定,$R_0$ 为定值电阻,$R$ 为压力传感器(阻值随压力增大而减小)。当压力 $F$ 增大时,下列说法正确的是( ) A. 电流表示数减小 B. 电压表示数(测 $R_0$ 两端)减小 C. 路端电压增大 D. 电源输出功率一定增大
看答案和判分标准
答案:B 错误,A 错误,C 错误,D 不确定(需比较 $R_{ext}$ 与 $r$ 关系)。 *修正题目以符合单选逻辑*:
判对标准:
1. 学生能正确判断出 $R$ 减小。
2. 学生能推导出总电流 $I$ 增大。
3. 学生能根据 $U_0 = I R_0$ 判断出 $R_0$ 两端电压增大,从而选出 B。
4. 若学生选 A,说明未掌握欧姆定律动态分析;若选 C,说明混淆了路端电压与支路电压;若选 D,说明未考虑 $R$ 两端电压 $U_R = E - I(R_0+r)$ 的变化($I$ 增大,$U_R$ 减小,电荷量 $Q=CU_R$ 减小)。
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