速度測量方法探究

彭俊昌 張國黨

(江西省萍鄉(xiāng)市上栗中學,江西萍鄉(xiāng) 337009)

運動物體瞬時速度的測量是高中物理力學實驗中的內(nèi)容,其中研究勻變速直線運動,驗證機械能守恒定律,研究平拋物體運動和驗證動量守恒定律這四個實驗的核心都是瞬時速度的測量,而且瞬時速度的測量正越來越受到高考的關注,在全國各地高考試卷中均屢有出現(xiàn),成為考查學生實驗創(chuàng)新能力的重要題型.基于此,我們有必要探究速度測量的方法、原理,以提高實驗分析能力.

1 利用打點計時器測速度

作勻變速直線運動的物體,在其運動時間中點的瞬時速度的大小等于其在該段時間內(nèi)平均速度大小,應用此原理,瞬時速度的測量轉(zhuǎn)化成為位移和時間的測量.常見的方法有利用打點計時器和頻閃照片測物體的瞬時速度.

例1.用打點計時器研究小車的勻變速直線運動.將打點計時器接到頻率為50 Hz的交流電源上,實驗時得到一條紙帶如圖1所示.在紙帶上選取 A、B、C、D、E 5個計數(shù)點,相鄰兩個計數(shù)點間還有4個點未畫出.測量時發(fā)現(xiàn) B點已模糊不清,于是他測得 AC長為14.56 cm、CD長為11.15 cm,DE長為13.73 cm,則打C點時小車的瞬時速度大小為____m/s(保留3位有效數(shù)字).

圖1

測量原理分析:小車作勻變速直線運動.C點是A、E兩點的時間中點,故打C點時小車瞬時速度大小等于小車在AE間的平均速度大小,得

2 根據(jù)平拋運動測速度

做平拋運動的物體,其運動可以分解為水平方向的勻速直線運動和豎直方向的自由落體運動,因此可由其豎直高度算出運動時間,則平拋的初速度等于水平位移與飛行時間之比.

圖2

例2.在驗證動量守恒定律的實驗中,實驗裝置如圖2所示.某學生記錄的數(shù)據(jù)如表1所示,根據(jù)數(shù)據(jù)驗證動量守恒定律(OA是a球碰b球后,a球落地點與拋出點水平距離.OC是a球碰b球后,b球落地點與拋出點水平距離.OB是a球不碰b球,a球落地點與拋出點水平距離).

表1

3 利用光電計時器測速度

例3.光電計時器是一種研究物體運動情況的常用計時儀器,其結構如圖3(甲)所示,a、b分別是光電門的激光發(fā)射和接收裝置,當有物體從a、b間通過時,光電計時器就可以顯示物體的擋光時間,圖3(乙)中MN是水平桌面,1和2是固定在木板上適當位置的兩個光電門,與之連接的兩個光電計時器沒有畫出,讓滑塊 d從木板的頂端滑下,光電門1、2各自連接的計時器顯示的擋光時間分別為2.5×10-2s和1.0×10-2s,小滑塊 d的寬度為0.5 cm.可測出滑塊通過光電門1的速度 v1=________m/s,滑塊通過光電門2的速度 v2=_____m/s.

圖3

4 利用照相機拍照測速度

5 利用超聲波反射測速度

例5.圖4是在高速公路上用超聲波測速儀測量車速的示意圖,測速儀發(fā)出并接收超聲波脈沖信號,根據(jù)發(fā)出和接收到的時間差,測出汽車的速度.圖中P1、P2是測速儀發(fā)出的超聲波信號,n1、n2分別是由汽車反射回來的信號.設測速儀勻速掃描,p1、p2之間的時間間隔 Δt=1.0 s,超聲波在空氣中傳播的速度是v=340 m/s,若汽車是勻速行駛的,則根據(jù)圖可知,汽車在接收到p1、p2兩個信號之間的時間內(nèi)前進的距離是________m,汽車的速度是___________m/s.

圖4

6 利用多普勒效應測速度

例6.一個觀察者站在鐵路附近,測得迎面勻速而來的火車汽笛聲的頻率為 f1=440 Hz,當火車駛過他身旁后,測得汽笛聲的頻率降為 f2=392 Hz.運用多普勒效應可求出火車的速率.(空氣中的聲速v=330 m/s)

7 利用激光散斑測速度

例7.激光散斑測速是一種嶄新的測速技術,它應用了光的干涉原理.用二次曝光照相所獲得的“散斑對”相當于雙縫干涉實驗中的雙縫.待測物體的速度 v與二次曝光時間的間隔Δt的乘積等于雙縫的間距.實驗中可測得Δt,雙縫到屏之距離l以及相鄰亮條紋間距Δx.若所用激光波長為λ,則該實驗確定物體運動速度的表達式是

8 利用圓周運動測速度

圖5

以上各種測速方法依據(jù)不同的測量原理,將難以直接測量的瞬時速度轉(zhuǎn)化成了可以直接測量的長度、時間、頻率等物理量,因此我們在學習中要善于運用學過的知識自主設計新的測量方法,提升我們的實驗能力和創(chuàng)新能力.