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高中物理知识的特点是较为抽象、理论性较强，但如果我们能把理论知识的学习与实践结合起来，不但可以激发学习兴趣，还能够加深对知识的理解与掌握。
怎样把抽象的物理知识与实践结合起来呢？物理知识与实践中哪些领域结合的较为紧密呢？下面以加速度传感器为例来谈一下对此的想法。
一、加速度传感器简介
传感器是指一类信号转换器件，它可将外界的位移、速度、加速度、力、应力、湿度、温度、磁场强度等物理量，气体、重金属离子等化学量，酶、蛋白质、DNA、细菌病毒等生物量，以及其它一些待测量按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
加速度传感器是一种比较常见的物理量传感器，在人类的生活与工业生产中均有比较广泛的应用。如在日常生活中，大部分汽车上均安装了安全气囊，其原理就在于汽车上安装了可以对碰撞加速度进行检测的加速度传感器，当加速度传感器的输出达到一定阈值时，行车电脑就会认为车辆发生了碰撞并且碰撞的强度有可能对驾驶员或乘客造成伤害，就会触发安全气囊，这套系统的核心器件就是碰撞加速度传感器。在军事领域，加速度传感器也有很多应用，如1999年美国轰炸中国驻南联盟大使馆的炸弹，其之所以能在精确穿过了数层楼房以后再爆炸，同样在于炸弹内部安装了一个可以对炸弹穿过每层楼房时的冲击进行计数的冲击加速度传感器。此外，在手机、机器人等很多领域加速度传感器均有应用。
加速度传感器是如何把外部加速度信号转换成电信号的呢？根据其原理不同，又可以分为压阻式加速度计、电容式加速度计、压电式加速度计、隧穿式加速度计等。下面以压阻式加速度计为例来说明高中物理知识在其检测原理与信号转换流程中的应用。
二、与压阻式加速度传感器相关的几个高中物理知识点
某种典型的压阻式加速度计的结构简图如图1所示，主要有框架、支撑梁、质量块及四个检测电阻构成，四个电阻的初始阻值均为R，但R1、R2阻值固定，R3、R4阻值随加速度a的大小可变。
1.加速度信号向力信号的转换。
在高中阶段，我们学习过了牛顿第二定律，其表述为物体的加速度a跟物体所受的合外力F成正比，跟物体的质量m成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。当与加速度计框架相连的物体承受大小为a的加速度时，相当于加速度计的质量块也承受了大小为a的加速度，那么质量块的加速度是如何产生的呢？根据牛顿第二定律，必然是框架通过支撑梁给质量块施加了大小F=ma的力。
牛顿第三运动定律的表述为两个物体间的作用力与反作用力在同一条直线上，大小相等，方向相反。根据此定律，如果支撑梁对加速度计的质量块施加了大小F=ma的力，则质量块对支撑梁也必然会施加大小F=ma的反作用力。因此，支撑梁在质量块的反作用力的作用下，将产生弯曲，如图2所示。
至此，通過运用牛顿第二定律和牛顿第三定律的分析，把外部输入的加速度信号转化成为施加在支撑梁上的力信号。
2.力信号向电阻信号的转换。
如图1所示的加速度计，在支撑梁的上下位置各布置有一根微梁，这两根微梁同时也是检测电阻。当支撑梁受到质量块的反作用力时，将会发生弯曲，从而带动这两根微梁一根伸长、一根压缩。高中物理中学过，电阻的计算公式为：
R=ρlS①
其中R为电阻阻值，ρ为电阻率，l为电阻长度，S为电阻截面积。无论从电阻率来说，还是从检测压阻的形状来说，两根微梁上的检测电阻阻值均会发生变化，其中一个增加、一个减小。
3.电阻信号向电压信号的转换。
大部分的传感器的输出均为电信号，如何把阻值的变化进一步转换为电信号输出呢？这里利用了高中物理中的欧姆定律。
图3
利用如图3所示的一种称为惠斯通电桥的电路结构，可以将电阻的变化转化为电桥电压的输出变化，这一转化应用到了欧姆定律。欧姆定律的表述为同一电路中，导体中的电流跟导体两端的电压成正比，跟导体的电阻成反比，即：
I=UR②
利用欧姆定律进行一次简单的推导，可以得出惠斯通电桥电压输出与电阻阻值之间的关系为：
Vout=V0R2R1+R2-R4R3+R4③
其中V0为电桥施加电压，Vout由于R1、R2、R3、R4四个电阻的初始阻值均为R，所以在没有外部加速度输入的情况下，电桥的电压输出将为零。当加速度计承受的外部加速度大小为a时，R3、R4的阻值分别变化为R+ΔR、R-ΔR，则根据欧姆定律进行简单的计算可知，惠斯通电桥的电压输出为：
Vout=V0ΔR2R④
由于ΔR与加速度a成正比，至此，得到了与加速度a成线性比例的电压输出。
四、一种改进的加速度传感器设计
灵敏度是加速度传感器的一个重要性能参数。从前面的分析可以看出，目前加速度传感器构成惠斯通电桥的四个电阻中，两个为可变电阻，两个为固定电阻，这样的电桥结构为半桥结构。从公式④也可以看出，灵敏度相当于减小了一半。能不能对加速度计结构进行优化设计提高灵敏度呢？我们提出了一种改进的加速度计结构，如图4所示。
将原来的两个加速度计敏感结构中的固定电阻去掉并“背靠背”地制作在一起，这样在单个加速度计中，有两个敏感质量块、两个悬臂支撑梁、四个敏感电阻，这四个敏感电阻连成如图5所示的惠斯通全桥结构。
当加速度计承受外部输入加速度时，两个质量块将会受到惯性力，悬臂梁发生完全，四个敏感电阻中将有两个拉伸、两个压缩，阻值两个增加、两个减小。利用欧姆定律进行简单的计算可知，惠斯通电桥的电压输出为：
Vout=V0ΔRR⑤
与公式④的计算结果相比，在同样的输入加速度条件下，电桥输出电压增加了1倍。
应用牛顿第二定律、牛顿第三定律可以实现加速度信号至力信号的转换，应用电阻阻值的计算分析可以实现力信号至电阻阻值变化的转换，应用欧姆定律分析可以实现电阻阻值变化至电压信号的转换。本文还提出了一种改进的加速度计设计，灵敏度可以提高一倍。传感器的类型很多，除加速度计外，还有陀螺仪、磁强计等，我们可以应用物理知识对陀螺仪和磁强计的检测原理进行类似的分析。这些分析既可以拓宽我们的知识面，又可以把抽象的物理知识与实践结合起来，从而激发我们对物理的学习兴趣，并加深我们对课堂所学知识的理解。
作者单位：湖南省长沙市明德中学高二k383班
怎样把抽象的物理知识与实践结合起来呢？物理知识与实践中哪些领域结合的较为紧密呢？下面以加速度传感器为例来谈一下对此的想法。
一、加速度传感器简介
传感器是指一类信号转换器件，它可将外界的位移、速度、加速度、力、应力、湿度、温度、磁场强度等物理量，气体、重金属离子等化学量，酶、蛋白质、DNA、细菌病毒等生物量，以及其它一些待测量按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
加速度传感器是一种比较常见的物理量传感器，在人类的生活与工业生产中均有比较广泛的应用。如在日常生活中，大部分汽车上均安装了安全气囊，其原理就在于汽车上安装了可以对碰撞加速度进行检测的加速度传感器，当加速度传感器的输出达到一定阈值时，行车电脑就会认为车辆发生了碰撞并且碰撞的强度有可能对驾驶员或乘客造成伤害，就会触发安全气囊，这套系统的核心器件就是碰撞加速度传感器。在军事领域，加速度传感器也有很多应用，如1999年美国轰炸中国驻南联盟大使馆的炸弹，其之所以能在精确穿过了数层楼房以后再爆炸，同样在于炸弹内部安装了一个可以对炸弹穿过每层楼房时的冲击进行计数的冲击加速度传感器。此外，在手机、机器人等很多领域加速度传感器均有应用。
加速度传感器是如何把外部加速度信号转换成电信号的呢？根据其原理不同，又可以分为压阻式加速度计、电容式加速度计、压电式加速度计、隧穿式加速度计等。下面以压阻式加速度计为例来说明高中物理知识在其检测原理与信号转换流程中的应用。
二、与压阻式加速度传感器相关的几个高中物理知识点
某种典型的压阻式加速度计的结构简图如图1所示，主要有框架、支撑梁、质量块及四个检测电阻构成，四个电阻的初始阻值均为R，但R1、R2阻值固定，R3、R4阻值随加速度a的大小可变。
1.加速度信号向力信号的转换。
在高中阶段，我们学习过了牛顿第二定律，其表述为物体的加速度a跟物体所受的合外力F成正比，跟物体的质量m成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。当与加速度计框架相连的物体承受大小为a的加速度时，相当于加速度计的质量块也承受了大小为a的加速度，那么质量块的加速度是如何产生的呢？根据牛顿第二定律，必然是框架通过支撑梁给质量块施加了大小F=ma的力。
牛顿第三运动定律的表述为两个物体间的作用力与反作用力在同一条直线上，大小相等，方向相反。根据此定律，如果支撑梁对加速度计的质量块施加了大小F=ma的力，则质量块对支撑梁也必然会施加大小F=ma的反作用力。因此，支撑梁在质量块的反作用力的作用下，将产生弯曲，如图2所示。
至此，通過运用牛顿第二定律和牛顿第三定律的分析，把外部输入的加速度信号转化成为施加在支撑梁上的力信号。
2.力信号向电阻信号的转换。
如图1所示的加速度计，在支撑梁的上下位置各布置有一根微梁，这两根微梁同时也是检测电阻。当支撑梁受到质量块的反作用力时，将会发生弯曲，从而带动这两根微梁一根伸长、一根压缩。高中物理中学过，电阻的计算公式为：
R=ρlS①
其中R为电阻阻值，ρ为电阻率，l为电阻长度，S为电阻截面积。无论从电阻率来说，还是从检测压阻的形状来说，两根微梁上的检测电阻阻值均会发生变化，其中一个增加、一个减小。
3.电阻信号向电压信号的转换。
大部分的传感器的输出均为电信号，如何把阻值的变化进一步转换为电信号输出呢？这里利用了高中物理中的欧姆定律。
图3
利用如图3所示的一种称为惠斯通电桥的电路结构，可以将电阻的变化转化为电桥电压的输出变化，这一转化应用到了欧姆定律。欧姆定律的表述为同一电路中，导体中的电流跟导体两端的电压成正比，跟导体的电阻成反比，即：
I=UR②
利用欧姆定律进行一次简单的推导，可以得出惠斯通电桥电压输出与电阻阻值之间的关系为：
Vout=V0R2R1+R2-R4R3+R4③
其中V0为电桥施加电压，Vout由于R1、R2、R3、R4四个电阻的初始阻值均为R，所以在没有外部加速度输入的情况下，电桥的电压输出将为零。当加速度计承受的外部加速度大小为a时，R3、R4的阻值分别变化为R+ΔR、R-ΔR，则根据欧姆定律进行简单的计算可知，惠斯通电桥的电压输出为：
Vout=V0ΔR2R④
由于ΔR与加速度a成正比，至此，得到了与加速度a成线性比例的电压输出。
四、一种改进的加速度传感器设计
灵敏度是加速度传感器的一个重要性能参数。从前面的分析可以看出，目前加速度传感器构成惠斯通电桥的四个电阻中，两个为可变电阻，两个为固定电阻，这样的电桥结构为半桥结构。从公式④也可以看出，灵敏度相当于减小了一半。能不能对加速度计结构进行优化设计提高灵敏度呢？我们提出了一种改进的加速度计结构，如图4所示。
将原来的两个加速度计敏感结构中的固定电阻去掉并“背靠背”地制作在一起，这样在单个加速度计中，有两个敏感质量块、两个悬臂支撑梁、四个敏感电阻，这四个敏感电阻连成如图5所示的惠斯通全桥结构。
当加速度计承受外部输入加速度时，两个质量块将会受到惯性力，悬臂梁发生完全，四个敏感电阻中将有两个拉伸、两个压缩，阻值两个增加、两个减小。利用欧姆定律进行简单的计算可知，惠斯通电桥的电压输出为：
Vout=V0ΔRR⑤
与公式④的计算结果相比，在同样的输入加速度条件下，电桥输出电压增加了1倍。
应用牛顿第二定律、牛顿第三定律可以实现加速度信号至力信号的转换，应用电阻阻值的计算分析可以实现力信号至电阻阻值变化的转换，应用欧姆定律分析可以实现电阻阻值变化至电压信号的转换。本文还提出了一种改进的加速度计设计，灵敏度可以提高一倍。传感器的类型很多，除加速度计外，还有陀螺仪、磁强计等，我们可以应用物理知识对陀螺仪和磁强计的检测原理进行类似的分析。这些分析既可以拓宽我们的知识面，又可以把抽象的物理知识与实践结合起来，从而激发我们对物理的学习兴趣，并加深我们对课堂所学知识的理解。
作者单位：湖南省长沙市明德中学高二k383班