例談運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)測(cè)量加速度

1引言

加速度是描述物體在單位時(shí)間內(nèi)速度變化的快慢的物理量，在物理學(xué)、工程技術(shù)和日常生活中扮演著關(guān)鍵角色.隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)加速度測(cè)量的精度、實(shí)時(shí)性和適用性提出了更高的要求.傳統(tǒng)的加速度測(cè)量方法已難以滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的需求，因此，運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)行加速度測(cè)量成為一個(gè)重要的研究課題.本文通過分析基于傳感器技術(shù)、光學(xué)測(cè)量技術(shù)等測(cè)量方法，以及這些技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，可以深入了解現(xiàn)代加速度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)趨勢(shì).這不僅有助于推動(dòng)加速度測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，也為相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供了新的思路和方法.

2加速度測(cè)量的基本原理

加速度是描述物體速度變化快慢的物理量，其定義為速度對(duì)時(shí)間的變化率.在物理學(xué)中，加速度是一個(gè)矢量，既有大小又有方向.根據(jù)牛頓第二定律，物體的加速度與作用在物體上的合外力成正比，與物體的質(zhì)量成反比.這一關(guān)系為加速度的測(cè)量提供了理論基礎(chǔ)1].

加速度的測(cè)量方法主要分為直接測(cè)量和間接測(cè)量?jī)煞N.直接測(cè)量是通過加速度傳感器直接感知物體的加速度變化，而間接測(cè)量則是通過測(cè)量位移、速度或其他相關(guān)物理量，再通過數(shù)學(xué)計(jì)算得到加速度值.隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，基于不同原理的加速度測(cè)量方法不斷涌現(xiàn)，為各種應(yīng)用場(chǎng)景提供了多樣化的選擇[2].

3運(yùn)用DIS測(cè)量加速度

例1 （1）如圖1是用DIS測(cè)定小車啟動(dòng)時(shí)加速度的實(shí)驗(yàn)裝置.

① 信號(hào)發(fā)射部分和信號(hào)接收部分組成了傳感器，A應(yīng)是信號(hào) 部分.

② 圖2是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的速度 v 與時(shí)間 Ψ_t 的圖像，根據(jù)圖像中的數(shù)據(jù)，可求出小車加速度的大小為 ：

（2）某物理實(shí)驗(yàn)小組利用圖3所示的裝置測(cè)量滑塊在某位置的速度，裝置中用到了傳感器，擋光片的寬度 d 在本實(shí)驗(yàn)中已測(cè)得，那么待測(cè)數(shù)據(jù)還有：

解析（1）本套系統(tǒng)中，信號(hào)接收部分通過接收信號(hào)發(fā)射部分發(fā)出的信號(hào)時(shí)間間隔來(lái)獲取物體運(yùn)動(dòng)的位移信息，故信號(hào)發(fā)射部分和信號(hào)接收部分組成位移傳感器， A 應(yīng)是信號(hào)發(fā)射部分. v-t 圖像的斜率表示加速度，小車的加速度 1.25m/s² ·

（2）裝置用到的是光電門傳感器.根據(jù)極短時(shí)間內(nèi)的平均速度近似等于瞬時(shí)速度，由 可知，還需得到擋光片經(jīng)過光電門的時(shí)間 Δt

點(diǎn)評(píng)本例第（1）問中，運(yùn)用了信號(hào)發(fā)射部分和信號(hào)接收部分，組成位移傳感器間接測(cè)量了物體的加速度，可見，傳感器的應(yīng)用對(duì)測(cè)量加速度提供了新的思路.

4運(yùn)用頻閃照相技術(shù)測(cè)量加速度

例2圖4是某小組利用頻閃照相機(jī)研究小車沿斜面下滑時(shí)速度隨時(shí)間變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置.由靜止釋放小車后，用頻率為 10Hz 的頻閃相機(jī)從小車運(yùn)動(dòng)的側(cè)面照下了如圖5所示的照片.測(cè)得 OA=31.0cm OB=66.5cm，OC=106.5cm，OD=151.0cm.

（1）小車經(jīng)過 A 處的速度 處的速度 ，小車的加速度 a= m/s² （結(jié)果均保留兩位小數(shù)）；

（2）根據(jù)題意可知，小車在 O 處的速度 （填“為零”或“不為零”）.

解析 （1）因頻率為 10Hz ，那么 .則小車經(jīng)過 A 處的速度大小為：

經(jīng)過 B 處的速度大?。?/p>

3.78m/s ，加速度大小為： =4.50m/s²

（2）根據(jù)勻變速直線運(yùn)動(dòng)速度公式可得小車在O 點(diǎn)的速度為 v₀=v_A-at=2.88m/s ，可知小車在O 點(diǎn)的速度不為零.

點(diǎn)評(píng)利用頻閃相機(jī)在相等時(shí)間內(nèi)曝光的物體位置，結(jié)合勻變速直線運(yùn)動(dòng)相等時(shí)間間隔內(nèi)的位移規(guī)律，即可求解加速度的大小[3].

5結(jié)語(yǔ)

基于傳感器技術(shù)、光學(xué)測(cè)量技術(shù)等測(cè)量加速度的方法各有特點(diǎn)，在不同應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮著重要作用.從汽車工業(yè)到航空航天，從運(yùn)動(dòng)科學(xué)到日常生活，加速度測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供了有力支持.未來(lái)，隨著新材料、新工藝和人工智能技術(shù)的發(fā)展，加速度測(cè)量技術(shù)將朝著更高精度、更低功耗、更小體積的方向發(fā)展.微型化、智能化的加速度傳感器將得到更廣泛的應(yīng)用，為物聯(lián)網(wǎng)、智能城市等領(lǐng)域提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持.同時(shí)，多技術(shù)融合的測(cè)量方法也將成為發(fā)展趨勢(shì)，通過結(jié)合不同測(cè)量原理的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性.總的來(lái)說，現(xiàn)代加速度測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步不僅推動(dòng)了物理學(xué)和工程學(xué)的發(fā)展，也為人類社會(huì)的進(jìn)步做出了重要貢獻(xiàn).隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，加速度測(cè)量技術(shù)必將在未來(lái)發(fā)揮更加重要的作用，為科學(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新提供強(qiáng)有力的支撐.

參考文獻(xiàn)：

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[2]曹陽(yáng)，張軼炳.基于現(xiàn)代信息技術(shù)的物理實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究——以“測(cè)量重力加速度”為例[J].中學(xué)物理，2019，37（13）：29-32.

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