Меню

Способ измерения давления твердого тела



МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

Известны следующие основные методы измерения давления:

  • весовой,
  • пружинный,
  • силовой,
  • частотный,
  • пьезорезисторный,
  • термокондуктивный,
  • ионизационный
  • электрокинетический.

Рас­смотрим особенности этих методов.

1. Весовой метод [9]

Весовой метод основан на уравновешивании сил давления весом столба жидкости или эталонного груза. Построенные по этому методу поршневые манометры практически неприменимы на летательных аппаратах из-за больших погрешностей при на­клонах и ускорениях.

2. Пружинный метод [1], [9]

Пружинный метод основан на зависимости деформации упру­гого чувствительного элемента от приложенного давления. В манометрах деформация передается на отсчетное устройстве (рис. 6.1), а в датчиках преобразуется в электрическую величи­ну, которая и служит выходным сигналом (рис. 6.2). Область давлений, измеряемых пружинными манометрами и датчиками, лежит в пределах от нескольких мм вод. ст до сотен атмосфер.

3. Силовой метод [9]

Силовой метод основан на зависимости силы или момента сил, развиваемых неупругим или упругим чувствительным эле­ментом, от приложенного давления. По этому методу строятся две разновидности приборов и датчиков давления:

а — силовые датчики прямого преобразования (рис. 6.3), в ко­торых развиваемая чувствительным элементом сила преобразует­ся с помощью электрического преобразователя в электрическую величину; в качестве электрических преобразователей могут быть использованы угольные, полупроводниковые, пьезоэлектрические, магнитоупругие элементы [4], [7], [9], [12];

б — приборы и датчики с силовой компенсацией (рис. 6.4), в которых сила, развиваемая чувствительным элементом, урав­новешивается силой, создаваемой компенсирующим элементом[16].

В зависимости от типа компенсирующего устройства выход­ным сигналом может служить сила тока (см. рис. 6.4, а), линей­ное или угловое перемещение (см. рис. 6.4, б).

Силовой метод применим для измерения давлений в тех же пределах, что и пружинный метод.

4. Частотный метод [2], [5]

Частотный метод основан на зависимости частоты собствен­ных колебаний тонкостенного цилиндрического резонатора от разности давлений, действующих на его внутреннюю и внешнюю поверхности. Датчики, построенные по этому методу (рис. 6.5), называются вибрационными датчиками давления (ВДД).

С помощью электронной схемы периодически возбуждаются собственные колебания резонатора или он постоянно находится в автоколебательном режиме. Выходным сигналом ВДД может служить частота электрических импульсов, что позволяет исполь­зовать ВДД в системах с цифровыми вычислительными маши­нами.

5. Пьезорезисторный метод [9]

Пьезорезисторный метод основан на зависимости электриче­ского сопротивления проводника или полупроводника от величи­ны воздействующего на него давления. На рис. 6.6, а изображена схема пьезорезисторного датчика давления, чувствительным элементом которого является манганиновая проволока диаметром 0,03—0,05 мм.


При подаче давления в 1000 кГ/см 2 сопротивле­ние изменяется всего на 0,2%. Поэтому резисторные датчики с чувствительным проволочным элементом применимы для измере­ния очень высоких давлений (десятки тысяч атмосфер). Чувствительные полупроводниковые элементы (ферриты, керамиче­ские пьезоэлектрики и др.) обладают более высокой чувстви­тельностью, чем проволочные, но их характеристики нестабиль­ны и существенно зависят от температуры [4], [12].

6. Термокондуктивный метод [6], [10]

Термокондуктивный метод основан на зависимости теплопро­водности газа от его абсолютного давления (при малых абсолют­ных давлениях). При протекании по проволоке (см. рис. 6.6,6) электрического тока, сила которого поддерживается постоянной, температура нагрева проволоки будет зависеть от теплопровод­ности окружающего газа, которая линейно изменяется в зависи­мости от давления в области малых давлений. Температуру про­волоки можно измерять с помощью приваренной к ней термопа­ры, если же применить материал с большим температурным ко­эффициентом, то о температуре нагрева можно судить по изме­нению сопротивления проволоки. Чувствительность термокондуктивных датчиков зависит от состава газа.

Область применения термокондуктивного метода измерения давления ограничена пределами 10ч-10

7. Ионизационный метод [3], [6], [10], [15]

Ионизационный метод основан на зависимости степени иони­зации газа от давления. В зависимости от типа датчика иониза­ция газа создается за счет электронной эмиссии или радиоак­тивным излучением. Электронный датчик представляет собой трехэлектродную электронную лампу с накаливаемым катодом, внутрь которой подается измеряемое давление р (см. рис. 6.6, в). При наличии разности потенциалов между анодом и катодом, превышающей ионизационный потенциал газа, молекулы газа ионизируются электронами, летящими от катода к аноду. При этом на отрицательно заряженной сетке образуются положитель­ные ионы и создается сеточный ионизационный ток, величина которого при р=10 -3 мм рт. ст. пропорциональна абсолютному давлению, если анодный ток постоянен. Выходной величиной дат­чика служит ионизационный ток.

Область применения электронного датчика — от 10 -3 до 10 -3 мм рт, ст., величина сеточного тока при этом составляет 10 -4 10 -7 а.

Разновидностью ионизационных манометров является маг­нитный электроразрядный манометр, отличающийся от рассмот­ренного выше отсутствием накала катода. Молекулы газа, дав­ление которого измеряется, ионизируются свободными электро­нами, которые движутся с большой скоростью от катода к ано­ду, под влиянием высокого анодного напряжения от сотен до нескольких тысяч вольт. Для увеличения длины свободного про­бега электронов (с целью повышения вероятности их столкнове­ния с молекулами газа) между катодом и анодом создается маг­нитное поле, искривляющее траекторию движения электронов, которые движутся при этом по спирали. Сила тока газового раз­ряда имеет сравнительно большую величину — сотни микроам­пер, и может быть измерена без предварительного усиления. Пределы измерения магнитных газоразрядных манометров 10 -6 1 мм рт. ст.

Радиоактивный датчик давления отличается от электронного тем, что ионизация молекул газа создается под воздействием — частиц (положительно заряженных ядер гелия), образующихся при распаде радиоактивного вещества с достаточно большим периодом полураспада. В качестве источников излучения исполь­зуются препараты радия, полоний-210, плутоний-239. Слой ве­щества нанесен на один из двух электродов, помещенных внутрь камеры, в которую подается измеряемое давление (см. рис. 6.6, г). Последовательно с электродами включено сопротив­ление и подведено напряжение и. Выходной величиной служит ионизационный ток I или падение напряжения, создаваемое этим током на сопротивлении R. Это напряжение можно уси­лить с помощью усилителя с высоким входным сопротивлением. Недостатком радиоактивных датчиков является малая вели­чина ионизационного тока (10 -9 10 -16 а), вследствие чего к изоляции электродов и входной цепи усилителя предъявляются вы­сокие требования. В частности, во входном каскаде усилителя необходимо применять электрометрическую лампу. Давления, измеряемые радиоактивными датчиками, лежат в пределах 10 -3 10 3 мм рт. ст.

8. Электрокинетический метод [14]

Электрокинетический метод основан на возникновении элек­трокинетического потенциала полярной жидкости при ее перете­кании через пористую диафрагму. Построенный по этому мето­ду датчик давления (рис. 6.7), содержит диафрагму из кера­мики, помещенную внутрь цилин­дрического объема, ограничен­ного двумя мембранами и запол­ненного полярной жидкостью (на­пример, раствором йодистого ка­лия с небольшой добавкой йода, отрицательные ионы которого яв­ляются носителями зарядов). При воздействии на мембраны разности давлений часть жидко­сти перетекает сквозь диафрагму, причем образуется разность по­тенциалов, снимаемая двумя платиновыми электродами, поме­щенными по обе стороны диафрагмы. Электрокинетические дат­чики применимы для измерения переменных давлений, так как при постоянном давлении перетекание жидкости через диа­фрагму с течением времени прекращается. Частотный диапазон измеряемого давления может быть от десятых долей до несколь­ких сотен герц, диапазон измеряемых давлений — от тысячных долей до десятков атмосфер. Недостатком электрокинетических датчиков, помимо невозможности измерения постоянных давле­ний, является большая температурная погрешность.

Читайте также:  Приложение для измерения дистанции при беге

Оценим рассмотренные методы с точки зрения их применимости на летательных аппаратах.

Достоинством электрических методов, лежащих в основе кондуктометрических, пьезорезисторных, ионизационных (электрон­ных, газоразрядных и радиоактивных) датчиков, является воз­можность преобразования давления в электрический сигнал без применения подвижных частей; однако этим датчикам присущи определенные недостатки, из-за которых они не находят широ­кого применения на летательных аппаратах: кондуктометрический и электронный датчики действуют лишь в области низких давлений, а пьезорезисторные — очень высоких; радиоактивные датчики обладают малой чувствительностью.

Из электрических методов измерения давления практическое применение имеет ионизационный метод; ионизационные датчи­ки используются на космических летательных аппаратах для из­мерения малых давлений верхних слоев атмосферы.

Электрохимические датчики пока не находят практического применения, так как они непригодны для измерения медленно измеряющихся давлений и, кроме того, имеют большие темпера­турные погрешности.

Электромеханические методы — силовой и пружинный — бо­лее пригодны для измерения давления на летательных аппара­тах, так как позволяют строить датчики, действующие в широ­ких пределах — от тысячных долей до сотен и даже тысяч ат­мосфер. Наиболее прост силовой метод прямого преобразования, но его применение ограничено из-за недостаточной точности эле­ментов, преобразующих развиваемое чувствительным элементом усилие в электрический сигнал; что касается пьезоэлектрических преобразователей, то они непригодны для измерения медленно изменяющихся давлений.

Метод силовой компенсации более перспективен с точки зре­ния повышения точности измерения давления, но датчики, по­строенные по этому методу, сравнительно сложны, что несколько ограничивает применение данного метода.

В связи с развитием бортовых цифровых вычислительных ма­шин перспективным является частотный метод измерения давле­ния, который пока еще недостаточно проработан.

Наиболее широкое применение на летательных аппаратах всех классов нашел пружинный метод, обеспечивающий достаточно точное измерение давления в нужном диапазоне. Ниже рассмат­риваются более подробно пружинные манометры и датчики дав­ления, а также электрические дистанционные манометры.

Источник

Давление твёрдых тел. Способы изменения давления. Давление в жидкости и газе

“Научиться играть на флейте можно, только играя самому”.

  • путь размышления – это путь самый благородный,
  • путь подражания – это путь самый лёгкий,
  • и путь опыта – это путь самый верный”.

Цель: проверить знания физических явлений и их признаки, физические величины и единицы измерения, законы и формулы.

Цели урока:

  1. Продолжить формирование общеучебных умений и навыков учащихся:
    • интеллектуальных умений анализировать, сравнивать, обобщать и систематизировать учебный материал
    • самостоятельности в мышлении и учебной деятельности
    • работы во времени.
  2. Формирование специальных умений:
  3. представления о давлении, как о физической величине
  4. умение применять основные положения МКТ к объяснению давления газа и закона Паскаля
  5. решения качественных, экспериментальных и расчетных задач с применением изученных формул и законов;
  • показать значение давления в природе, быту, технике
  • обосновать необходимость увеличения и уменьшения давления
  • развивать интерес к изучению физики
  • способствовать расширению кругозора учащихся.
  • обеспечение мотивации изучения физики
  • умения добывать интересные сведения
  • развитие умений работать в коллективе, сотрудничества
  • создание комфортных условий деятельности на уроке
  • сохранность здоровья учащихся
Читайте также:  Измерение сопротивления растеканию тока заземлителя что это такое

Оборудование:

  • проектор, презентация к уроку
  • физические приборы: динамометр, бруски (3 шт), 3 сосуда с водой (высота столба жидкости одинакова) различной формы и объёма
  • измерительные приборы: линейка ученическая
  • шары
  • шприцы
  • пипетка
  • теннисный шар с вмятиной
  • горячая вода
  • воздушный пистолет
  • пластмассовая трубка со скрученной бумажной трубкой на конце
  • фен
  • зубочистки

Организационный этап урока

Задачи урока для учителя (целеполагание)

Прогнозируемые результаты деятельности ученика — развиваемые у учащихся виды УУД

Подготовить психологически учащихся к обучению

Обеспечивает благоприятный настрой. Предлагает разделиться на группы и распределить экспериментальные задания.

Ученики включаются в учебную деятельность. Делятся на группы по три человека. Распределяют роли специалистов по газам, твёрдым телам и жидкостям.

Личностные: развивать интерес к учебному предмету.

Коммуникативные: контроль и оценка своей готовности к уроку, умение между собой договориться.

Определение целей деятельности на уроке

Предлагает надуть шары, заполнить пакеты водой.

Задаёт наводящие вопросы. Предлагает сжать их.

Подводит итог обсуждению, объявляя тему урока, говорит о важности изучения данной темы.

Надувают шары, сжимают их, отвечают на вопросы, высказывают предположения по теме урока, записывают тему в тетрадь.

Коммуникативные: умение слушать товарища, участвовать в коллективном обсуждении.

Регулятивные: планирование работы с помощью учителя.

Актуализация знаний

Подтолкнуть учащихся к определению темы урока.

Учитель озвучивает эпиграф к коллективной исследовательской работе:

“Одна свеча избу лишь слабо освещала;
Зажгли другую – что ж
Изба светлее стала.
Правдивы древнего речения слова:
Ум хорошо, а лучше два”.

Предлагает нестандартные задания и ситуации для применения старого знания и введения нового материала. Предлагает специалистам по газам, жидкостям и твёрдым телам собраться в группы и изобразить движение молекул.

Учащиеся разбиваются на группы, изображают движение молекул, рассказывают о нём, о свойствах газов, жидкостях и твёрдых тел. Просмотр видеофрагмента о свойствах газа.

Коммуникативные: вступают в учебный диалог, овладевают монологической и диалогической формами речи. Умение договориться в группе о совместной деятельности.

Общеучебные: умение предъявлять информацию в словесной и символической форме.

Открытие новых знаний

Проверить уровень усвоения учащимися учебного материала, необходимого для изучения новой темы.

В чем состоит причина давления, производимого твёрдыми телами, жидкостями и газами? Как узнать?

Предлагает провести эксперимент.

Выстраивают логическую цепочку рассуждений, выдвигают гипотезу и её обоснование.

Проводят эксперимент с надуванием шара, наполнением пакетов водой и предметами.

Коммуникативные: вступают в учебный диалог, высказывают предположения, слушаю друг друга.

Универсальные: выдвижение предположения, наблюдение, анализ результатов эксперимента и построение вывода.

Регулятивные: выдвижение гипотез, прогнозирование результата, наблюдение.

Личностные: мотивация образовательной деятельности обучающихся на основе личностно – ориентированного подхода.

Здоровьесберегающая пауза (стадия расслабления) учащиеся выполняют физкультминутку для глаз. Продолжительность этапа 2 минуты.

Познавательные: использовать знания о давлении в повседневной жизни, приводить примеры практического использования физических знаний.

Коммуникативные: учиться высказывать своё мнение.

Познавательные: поиск и выделение необходимой информации.

Коммуникативные: умение с достаточной полнотой и точностью выражать свои мысли.

Коммуникативные: уметь вступать в диалог.

Создание проблемной ситуации

Давление в твёрдых телах и в жидкостях обусловлено действием на них силы тяжести. Но ведь в газе молекулы беспорядочно движутся и тоже притягиваются к Земле. Значит давления газа обусловлено другими причинами, чем давление твёрдого тела на опору? Проблемная ситуация!

Затрудняются с выводом.

Еще раз изображают движение молекул газов.

Делают вывод о причине давления, производимого жидкостями, газами и твёрдыми телами.

Учитель предлагает посмотреть видеофрагмент и прочитать в учебнике вывод, используя несколько видов памяти учащихся.

Смотрят видеофрагмент, читают вывод в учебнике на стр. 85 (второй абзац). Записывают вывод в тетрадь: в газах давление создаётся ударами беспорядочно движущихся молекул.

Выяснение значения давления в газах по всем направлениям

Учитель задаёт вопрос: “А одинаково ли это давление по всем направлениям?”, выслушивает предположения, предлагает проверить различные точки зрения с помощью воздушного насоса и шприцов.

Что происходит с размерами шарика?

Выдвигают гипотезу, проверяют с помощью воздушного насоса. Затрудняются с объяснением результата эксперимента (увеличение объёма шара по всем направлениям при откачивании воздуха). Такой же эксперимент делают на местах: специалисты по газам берут шприцы с маленькими резиновыми шариками внутри. Закрывают отверстие пальцем и перемещают поршень вниз. Смотрят видеофрагмент с тем же опытом, где шарик лопается. Теперь делают вывод самостоятельно: газ давит по всем направлениям одинаково.

Установление на практике, от чего зависит давление газа.

От чего зависит давление газа?

Предлагает выдвигать предположения и способы их проверки. Предлагает разным группам учащихся выбрать оборудование на столе для проверки своих предположений.

Подтолкнуть учащихся к выдвижению гипотезы о причине давления газа, проверка этой гипотезы
  1. Делятся на группы, обсуждают и выбирают оборудование и на практике устанавливают, от чего зависит давление газа: 1. Ударяют по подвижной стенке маленькими и большими шариками.
  2. Надувают шарик обычным способом.
  3. Надувают шарик с помощью воздушного насоса.
  4. Стреляют из воздушного пистолета.
  5. Дуют в пластмассовую трубку со скрученной бумажной трубкой на конце.
  6. Пробуют удалить вмятину на оболочке мячика для настольного тенниса.
  7. Нагревают ладонями перевёрнутую и опушенную тонким концом в воду стеклянную колбу.
  8. Перемещают поршень в шприце с резиновой плёнкой на конце и наблюдают за выгибанием и втягиванием этой плёнки.
  9. Нагревают воздушный шарик феном. Наблюдают, анализируют, делают выводы.

Закрепление материала

Предлагает самостоятельно повторить изученный материал по опорному конспекту.

Предлагает задачи из сборника задач по физике В.И.Лукашика для 7–9 класса, № 472, 475, 477, 484, 491.

Повторяют по опорному конспекту, рассказывают в парах друг другу.

Решают и обсуждают качественные задачи.

Познавательные – структурирование знаний, обобщение имеющихся знаний по теме.

Личностные: выявить причины затруднения. Выявить знания, которых недостаёт.

Коммуникативные: уметь вступать в диалог.

Регулятивные: уметь излагать свои мысли, выделять главное.

Познавательные: уметь ориентироваться в своей системе знаний. Поиск и выделение информации.

Учитель даёт комментарии к домашнему заданию, фиксирует направления будущей деятельности.

  1. Обязательное домашнее задание: §37, вопросы на стр. 90.
  2. Экспериментальное задание №7 на стр.88.
  3. Дополнительное домашнее задание Найти в сети Интернет информацию о природных явлениях, иллюстрирующих давления газа.

Записывают домашнее задание в дневник. Выявляют затруднения в домашнем задании (если они есть).

Проверка знаний

Предлагает задание на проверку усвоения нового материала.

Вопрос 1. От чего зависит давление газа?

  1. от числа молекул
  2. от температуры газа
  3. от объёма
  4. от всех названных величин.

Вопрос 2. При уменьшении объёма сосуда, в котором находится газ, давление

Вопрос 3. Как изменится давление газа в воздушном шаре, если вынести его зимой на улицу?

  1. увеличится
  2. не изменится
  3. уменьшится
  4. правильного ответа нет.

Вопрос 4. При уменьшении размеров молекул газа давление его

  1. Увеличится
  2. Уменьшится
  3. Не изменится.

Индивидуальная работа с тестом.

Учащиеся выполняют тест. Работают самостоятельно. А затем меняются тетрадями и осуществляют взаимопроверку в парах. Карандашом на полях в тетради выставляют оценки.

Регулятивные: контроль, коррекция, выделение и осознание того, что уже усвоено и что ещё подлежит усвоению, осознание качества и уровня усвоения.

Личностные: положительное отношение к учению, развитие готовности к самостоятельным действиям.

Коммуникативные: умение работать в паре.

Личностные: формирование адекватной самооценки.

Формирование навыков самостоятельной работы.

Рефлексия

Предлагает анкету для осмысления и анализа своей деятельности на уроке.

Осмысление своей работы на уроке и индивидуальное заполнение анкеты.

Личностные: формирования ценностных отношений друг к другу, к учению, к результатам обучения.

Разнообразные виды деятельности позволяют поддерживать у учащихся интерес на протяжении всего урока. Весь урок происходит постоянная смена видов деятельности – опыты, эксперименты, демонстрации, работа с учебником, просмотр презентации и видеофрагментов, решение задач. Компьютерная поддержка в виде презентации и видеофрагментов помогают красочно иллюстрировать урок. Обеспечение занятости каждого ученика позволяет избежать пассивных созерцателей. Применяя в конце урока выходной контроль в виде теста, можно выяснить, освоен ли обязательный минимум каждым учеником. Обязательная рефлексия поможет учащимся осмыслить свою деятельность на уроке, проанализировать трудности и успехи. А для учителя послужит информацией к улучшению его дальнейшей работы.

Экспериментальное задание № 1, 2, 3.

Тема: “Расчёт давления бруска на опору”.

Цель: Рассчитать давление бруска на горизонтальную опору

Оборудование:

Расчетные формулы:

Ход работы

  1. Измерьте длину и ширину основания бруска.
  2. Запишите результат и осуществите перевод в систему СИ.:
    a = … см = …м
    b = … см = …м
  3. Рассчитайте площадь основания бруска (площадь опоры):
    S = a х b = … м … м = … м
  4. Рассмотрев шкалу динамометра, измерьте силу давления.
  5. Запишите результат
  6. Рассчитайте силу давления бруска на опору:
    P = F/s
  7. Выразите силу давления в килоПаскалях:
  8. Сделайте вывод, сравнив его с результатом выполнения задания другой группы.

Источник

Сравнить или измерить © 2021
Внимание! Информация, опубликованная на сайте, носит исключительно ознакомительный характер и не является рекомендацией к применению.

Повторение изученного, систематизация, решение задач