速度测量方法探究

彭俊昌 张国党

(江西省萍乡市上栗中学,江西萍乡 337009)

运动物体瞬时速度的测量是高中物理力学实验中的内容,其中研究匀变速直线运动,验证机械能守恒定律,研究平抛物体运动和验证动量守恒定律这四个实验的核心都是瞬时速度的测量,而且瞬时速度的测量正越来越受到高考的关注,在全国各地高考试卷中均屡有出现,成为考查学生实验创新能力的重要题型.基于此,我们有必要探究速度测量的方法、原理,以提高实验分析能力.

1 利用打点计时器测速度

作匀变速直线运动的物体,在其运动时间中点的瞬时速度的大小等于其在该段时间内平均速度大小,应用此原理,瞬时速度的测量转化成为位移和时间的测量.常见的方法有利用打点计时器和频闪照片测物体的瞬时速度.

例1.用打点计时器研究小车的匀变速直线运动.将打点计时器接到频率为50 Hz的交流电源上,实验时得到一条纸带如图1所示.在纸带上选取 A、B、C、D、E 5个计数点,相邻两个计数点间还有4个点未画出.测量时发现 B点已模糊不清,于是他测得 AC长为14.56 cm、CD长为11.15 cm,DE长为13.73 cm,则打C点时小车的瞬时速度大小为____m/s(保留3位有效数字).

图1

测量原理分析:小车作匀变速直线运动.C点是A、E两点的时间中点,故打C点时小车瞬时速度大小等于小车在AE间的平均速度大小,得

2 根据平抛运动测速度

做平抛运动的物体,其运动可以分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动,因此可由其竖直高度算出运动时间,则平抛的初速度等于水平位移与飞行时间之比.

图2

例2.在验证动量守恒定律的实验中,实验装置如图2所示.某学生记录的数据如表1所示,根据数据验证动量守恒定律(OA是a球碰b球后,a球落地点与抛出点水平距离.OC是a球碰b球后,b球落地点与抛出点水平距离.OB是a球不碰b球,a球落地点与抛出点水平距离).

表1

3 利用光电计时器测速度

例3.光电计时器是一种研究物体运动情况的常用计时仪器,其结构如图3(甲)所示,a、b分别是光电门的激光发射和接收装置,当有物体从a、b间通过时,光电计时器就可以显示物体的挡光时间,图3(乙)中MN是水平桌面,1和2是固定在木板上适当位置的两个光电门,与之连接的两个光电计时器没有画出,让滑块 d从木板的顶端滑下,光电门1、2各自连接的计时器显示的挡光时间分别为2.5×10-2s和1.0×10-2s,小滑块 d的宽度为0.5 cm.可测出滑块通过光电门1的速度 v1=________m/s,滑块通过光电门2的速度 v2=_____m/s.

图3

4 利用照相机拍照测速度

5 利用超声波反射测速度

例5.图4是在高速公路上用超声波测速仪测量车速的示意图,测速仪发出并接收超声波脉冲信号,根据发出和接收到的时间差,测出汽车的速度.图中P1、P2是测速仪发出的超声波信号,n1、n2分别是由汽车反射回来的信号.设测速仪匀速扫描,p1、p2之间的时间间隔 Δt=1.0 s,超声波在空气中传播的速度是v=340 m/s,若汽车是匀速行驶的,则根据图可知,汽车在接收到p1、p2两个信号之间的时间内前进的距离是________m,汽车的速度是___________m/s.

图4

6 利用多普勒效应测速度

例6.一个观察者站在铁路附近,测得迎面匀速而来的火车汽笛声的频率为 f1=440 Hz,当火车驶过他身旁后,测得汽笛声的频率降为 f2=392 Hz.运用多普勒效应可求出火车的速率.(空气中的声速v=330 m/s)

7 利用激光散斑测速度

例7.激光散斑测速是一种崭新的测速技术,它应用了光的干涉原理.用二次曝光照相所获得的“散斑对”相当于双缝干涉实验中的双缝.待测物体的速度 v与二次曝光时间的间隔Δt的乘积等于双缝的间距.实验中可测得Δt,双缝到屏之距离l以及相邻亮条纹间距Δx.若所用激光波长为λ,则该实验确定物体运动速度的表达式是

8 利用圆周运动测速度

图5

以上各种测速方法依据不同的测量原理,将难以直接测量的瞬时速度转化成了可以直接测量的长度、时间、频率等物理量,因此我们在学习中要善于运用学过的知识自主设计新的测量方法,提升我们的实验能力和创新能力.