物理实验中测量速度的几种方案.docVIP

物理实验中设计测量瞬时速度的几种方案 周志文 在物理实验中，瞬时速度是经常要测量的物理量，但是不便直接测量，实验中将不易测的速度转化为容易测量的，，当时间趋近于无零时，平均速度和瞬时速度相等。因此测速的关键是测出物体在微小时间内发生的微小位移Δr，然后便可由求出物体在该位置的瞬时速度，光电门测速原理就是如此。 例1：（2008四川卷）一水平放置的圆盘绕过其圆心的竖直轴匀速转动。盘边缘上固定一竖直的挡光片。盘转动时挡光片从一光电数字计时器的光电门的狭缝中经过，如图1 所示。图2为光电数字计时器的示意图。光源A中射出的光可照到B中的接收器上。若A、B间的光路被遮断，显示器C上可显示出光线被遮住的时间。 挡光片的宽度用螺旋测微器测得，结果如图3所示。圆盘直径用游标卡尺测得，结果如图4所示。由图可知， （l）挡光片的宽度为_____________mm。 （2）圆盘的直径为_______________cm。 （3）若光电数字计时器所显示的时间为50.0 ms，则圆盘转动的角速度为_______弧度/秒（保留3位有效数字）。 解析：由螺旋测微器与游标卡尺的读数规则可得挡光片的宽度d=10.243mm，圆盘的直径D=24.220cm。要测圆盘转动的角速度，根据圆周运动公式，先测出圆盘边缘的线速度，由于挡光板的宽度非常小，挡光时间非常短，故瞬时速度和平均速度相等，故圆盘转动的角速度 二、留迹留迹法即是利用某些特殊的手段，把位置、轨迹图象记录下来对其进行研究。如用打点计时器打出的纸带上的点迹记录小车的位移与时间的关系；用频闪照相机拍摄运动中小球的位置、轨迹例3：一次用闪光照相方法研究平抛运动规律时，由于某种原因，只拍到了部分方格背景及小格的3个瞬时位置A、B、C，如图所示．若已知频闪的间隔为0.1s，A、B位置在竖直方向相距3格，B、C位置在竖直方向相距5格．则小球做平抛运动的初速度大小为________m/s，小球经B点时的竖直分速度大小为________m/s，抛出点距A点的竖直高度为m．(取g=10m/s2) 法 转换法将某些不易显示、不易直接测量的物理量转化为易于显示、易于直接测量的物理量的方法。转换法是物理实验中常用的方法如测力计是把力的大小转化为弹簧的伸长量；电流表是利用电流在磁场中受力，把电流转换成指针的偏转角。 （2）将小球向左拉起后自由释放，最后小球落到木板上的C点，O′C＝s，则小球做平抛运动的初速度为v0_ 。 （3）在其他条件不变的情况下，若改变释放小球时悬线与竖直方向的夹角(，小球落点与O’点的水平距离s将随之改变，经多次实验，以s2为纵坐标、cos(为横坐标，得到如图7（b）所示图像。则当(＝30(时，s为 m；若悬线长L＝1.0m，悬点到木板间的距离OO′为__ 。 解析：（1）保证小球沿水平方向抛出，（2），（3）0.52，1.5 当悬线被电热丝烧断后，小球做平抛，平抛的水平位移为s=v0t，竖直高度为，故有，只要测出小球平抛的水平位移S就知道速度。 2、转换为测角度 当物体在摆动时，动能转化为重力势能，利用其它手段测出当它摆到最高点时的角度，根据机械能守恒，可以由摆过的角度得出物体的速度。 例5：用如图所示装置来验证动量守恒定律，质量为mB的钢球B放在小支柱N上，球心离地面高度为H；质量为mA的钢球A用细线拴好悬挂于O点，当细线被拉直时O点到球心的距离为L，且细线与竖直线之间夹角α ；球A由静止释放，摆到最低点时恰与球B发生正碰，碰撞后，A球把轻质指示针C推移到与竖直夹角为β处，B球落到地面上，地面上铺有一张盖有复写纸的白纸D，用来记录球B的落点。用图中所示各个物理量的符号表示碰撞前后两球A、B的动量（设两球A、B碰前的动量分别为PA、PB；碰后动量分别为PA′ 、PB′ )，则PA= ；PA′ = ；PB= ； PB′ = 。 ，我们可以通过其它手段（力传感器）测出此时的弹力，即可以根据相关数据知道此时的速度。 例6：物理兴趣小组选用了如图9所示的装置用来验证机械能守恒定律。将一段不可伸长的轻质小绳一端与力传感器（可以实时记录绳所受的拉力）相连固定在O点上，另一端连接小钢球A，把小钢球拉至M处（绳水平拉紧）静止释放，力传感器记录了小钢球摆动过程中的拉力，当地的重力加速度为g。 ①为能完成小钢球A从M点到N点过程中的机械能守恒，必须测量的物理有： A.小钢球A质量mA B.绳长L C.小钢球从M到N运动的时间 D.小钢球通过最低点N点时传感器示数F ②验证机械能守恒定律的表达是： (用题中已给或所测的物理量符号来表示) 解析：小球在竖直平面