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物理

测量速度的方法探究
浏阳市第四中学 扈巧梅
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、平抛物体运动，以及后面的验证机械能守恒定律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。因此，我们有必要了解探究速度测量的方法、原理，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。
图1
例1.用打点计时器研究小车的匀变速直线运动，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五个计数点，相邻两个计数点间还有四个点未画出。已知交流电的频率为50Hz，测量时发现B点已模糊不清，于是他测得AC长为14.56cm、CD长为11.15cm，DE长为13.73cm，则打C点时小车的瞬时速度大小为 m/s(保留三位有效数字)。
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间的平均速度大小为：
m/s。
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. 在研究平抛物体运动的实验中，用一张印有小方格的纸记录轨迹，如图2，小方格的边长＝1．25cm，若小球在平抛运动中先后经过的几个位置如图中的a、b、c、d所示，则小球平抛的初速度的计算式为V0＝ (用、g表示)，其值是_________。(g取9.8m／s2)
 解析：从图中可以看出，a、b、c、d四点沿水平方向相邻两点间的距离均为2，根据平抛规律，物体在任意两相邻间隔所用时间为T，则有：。
由于a、b、c、d四点沿竖直方向依次相距、、；平抛物体在竖直方向做自由落体运动，而且任意两个连续相等时间里的位移之差相等，。
 即，得，代入数据得
。
点拨：平抛运动在竖直方向上是自由落体运动所以符合所有匀加速直线运动的规律，如：
①任意两个连续相等时间里的位移之差相等，；
②若初始位置确定在连续相等时间内的位移之比为1:3:5:7……上例中可用此规律；
 ③时间中点的瞬时速度为该段时间内的平均速度，如：本例中。
图3
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，图中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0.5cm。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。
测量原理分析：小物快通过光电门时挡光时间极短,根据瞬时速度定义式，小物块通过光电门1的速度, 过光电门2的速度。若还已知当地的重力加速度g和两个光电门之间的距离L以及木板与水平面夹角α，则还可测木板表面动摩擦因数μ。
4.利用照相机拍照测速度
例4. “神舟”六号载人飞船的发射时，某记者为了拍摄飞船升空的美好瞬间,采用照相机的光圈(控制进光量的多少)是16，快门(曝光时间)是1/60s拍照，得到照片中飞船的高度是h，飞船上“神舟六号”四字模糊部分的高度是ΔL，已知飞船的高度是H。由以上数据可粗略求出拍照瞬间飞船的瞬时速度。
测量原理分析：该测速原理同光电测速器一样，由于“神舟六号”四字模糊部分的高度是ΔL，可以算出飞船在t=1/60s内飞行高度为，进而由瞬时速度定义式算出，在拍照瞬间飞船的速度为。
图4
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＝1.0s，超声波在空气中传播的速度是v＝340m/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。

测量原理分析：超声波在空气中是做匀速直线运动的，速度大小已知且极快，通过接收器记录其发射信号与反射信号的时间差可用来测速。此题中根据超声波接收器接收到的信号显示，汽车接收到两个信号的时间差s，在这段极短时间内汽车前进的位移s=17m，故汽车前进的速度m/s。
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。