Номер 2, страница 33 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

2. Прибор для измерения ускорения. Принцип его действия.

2. Прибор для измерения ускорения. Принцип его действия.

Прибор для измерения ускорения называется акселерометр. Он измеряет проекцию так называемого кажущегося ускорения (или перегрузки) – векторной разности между истинным (абсолютным) ускорением объекта и гравитационным ускорением.

Основной принцип действия большинства акселерометров основан на втором законе Ньютона: $F = m \cdot a$. В простейшем виде акселерометр можно представить как инертную массу (пробное тело), закрепленную на упругом элементе (например, пружине) внутри корпуса прибора.

Когда корпус акселерометра, жестко связанный с объектом, начинает двигаться с ускорением $\text{a}$, пробная масса, в силу своей инерции, стремится сохранить свое положение. Это приводит к ее смещению относительно корпуса. Упругий элемент (пружина) деформируется, создавая силу упругости $F_{упр}$, которая, согласно третьему закону Ньютона, уравновешивает силу инерции. По второму закону Ньютона, $F = m \cdot a$. Таким образом, сила, действующая на массу, равна $F_{упр} = m \cdot a$.

С другой стороны, по закону Гука, сила упругости пропорциональна смещению массы $\text{x}$ от положения равновесия: $F_{упр} = k \cdot x$, где $\text{k}$ – коэффициент жесткости упругого элемента.

Приравнивая эти два выражения, получаем: $m \cdot a = k \cdot x$. Отсюда можно выразить измеряемое ускорение: $a = \frac{k}{m} \cdot x$.

Таким образом, измерив смещение $\text{x}$ инертной массы, можно определить ускорение, которому подвергается прибор. В зависимости от способа измерения этого смещения или возникающей силы, различают несколько типов акселерометров:
- Пьезоэлектрические: Используют пьезоэлектрический эффект. Под действием силы инерции пробной массы пьезокристалл деформируется и генерирует на своих гранях электрический заряд, величина которого пропорциональна ускорению.
- Емкостные: Инертная масса является одной из подвижных обкладок конденсатора. При ускорении она смещается, изменяя расстояние между обкладками и, следовательно, электрическую емкость системы. Это изменение емкости измеряется электронной схемой. По такому принципу работают большинство миниатюрных MEMS-акселерометров (микроэлектромеханических систем), используемых в смартфонах, планшетах, автомобильных системах безопасности.
- Тензометрические: Деформация упругого элемента, на котором закреплена инертная масса, измеряется с помощью тензодатчиков – резисторов, изменяющих свое электрическое сопротивление при деформации.

Ответ: Прибором для измерения ускорения является акселерометр. Его действие основано на втором законе Ньютона: при ускорении инертная масса внутри прибора смещается относительно корпуса. Величина этого смещения, пропорциональная ускорению, измеряется различными методами (емкостным, пьезоэлектрическим, тензометрическим и др.) и преобразуется в сигнал, соответствующий значению ускорения.