速度测量主题.docVIP

第四章 速度测量专题实验 从人类开始研究物体运动，速度就成为人们测量的对象. 随着科学技术的不断发展，测量速度的科技手段也在日新月异，为人类的研究自然带来更大的自由. 本实验专题采用了几种不同的方法来测量速度并使大家了解速度测量的重要意义。 速度是物理学中的一个重要的概念。在运动学中速度是描述物体运动快慢的物理量，定义为 HYPERLINK /wiki/%E4%BD%8D%E7%A7%BB \o 位移 位移随着 HYPERLINK /wiki/%E6%99%82%E9%96%93 \o 时间 时间的变化率。通过对平均速度和瞬时速度的测定，可以了解物体的运动状态和运动规律；在波动学中波速指的是波在 HYPERLINK /wiki/%E7%A9%BA%E9%96%93 \o 空间 空间中传递的 HYPERLINK /wiki/%E9%80%9F%E5%BA%A6 \o 速度 速度，依照波不同特征所定义而有不同的意涵，分 HYPERLINK /wiki/%E7%9B%B8%E9%80%9F%E5%BA%A6 \o 相速度 相速度和 HYPERLINK /wiki/%E7%BE%A4%E9%80%9F%E5%BA%A6 \o 群速度 群速度等不同波速，一般不特别指定时，所提的波速是指 HYPERLINK /wiki/%E7%9B%B8%E9%80%9F%E5%BA%A6 \o 相速度 相速度。声波是一种在弹性媒质中传播的纵波。对超声波（频率超过2×104Hz的声波）传播速度的测量在超声波测距、测量气体温度瞬间变化等方面具有重大意义。超声波在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态因素有关。因而通过媒质中声速的测定，可以了解媒质的特性或状态变化。声速测定在工业生产上具有一定的实用意义。 预习提要 了解速度测量的基本方法。 熟悉磁悬浮技术。 熟悉多普勒效应及其测声速的原理。 了解超声波相速与群速及其测量。 实验目的 学习常见速度测量的方法，并进行分析比较。 学习使用气垫导轨和存储式数字毫秒计。 学习磁悬浮技术及其在速度测量中的应用。 掌握多普勒效应测量声速的方法。 测量超声波在不同传播介质中的相速与群速。 实验内容 利用气垫导轨测量运动物体的速度。 利用磁悬浮导轨测量运动物体的速度。 利用多普勒效应进行声速测量。 超声波在液体中的相速与群速的测量。 实验仪器 气垫导轨、气源、存储式数字毫秒计、垫块。 磁悬浮导轨，光电门，计时器。 DH-DPL系列多普勒效应及声速综合实验仪。 DHPV-1型相速、群速实验仪、双踪示波器。 实验一 气垫导轨测量速度和加速度 气垫导轨是利用气源将压缩空气打入导轨的空腔内，再由导轨表面按一定规律分布的小孔中喷射出来，在导轨平面与滑行器内表面之间形成一个薄空气层——气垫，使滑行器悬浮在导轨上，滑行器在运动中只受到很小的空气粘滞阻力的影响，能量损失极小，故可以近似地看作是无摩擦阻力的运动。极大地减少了由于摩擦引起的误差，使实验结果基本上接近理论值，提高了实验精度，实验现象真实直观，效果明显。 一、实验原理 1、测量滑块运动的瞬时速度V 物体做直线运动时，其瞬时速度定义为： (1) 根据这个定义瞬时速度实际上是不可能测量的。因为当Dt?0时，同时有DS?0，测量上有具体困难。我们只能取很小的Dt及相应的DS，用其平均速度来代替瞬时速度V，即 (2) 尽管像这样用平均速度代替瞬时速度会产生一定误差，但只要物体运动速度较大而加速度又不太大，这种误差也不会太大。 2、测量滑块运动的加速度a 图1 滑块下滑示意图 如图1所示，如果将气垫导轨的一端垫高，形成斜面，滑块下滑时将作匀变速直线运动，有三个基本运动公式： （3） (4) (5) 式中s0和s以及V0和V分别为t0和t时刻滑块的位置坐标和相应的瞬时速度。在实验中使用的毫秒计只能从t0＝0时刻开始计时，所以运动方程变为： (6) (7) (8) 此时t为滑块从s0处到s处的运动时间， S＝s－s0为两光电门之间的距离。 实验时，使滑块由导轨最高端（或某一固定位置）静止自由下滑，即可测得不同位置s0、s1、s2．．．．．处各自相应的速度和加速度值，如图2－2。 图2 位置和速度对应图 二、实验内容与步骤 1．检查光电门，使存储式数字毫秒计处于正常工作状态。给气垫导轨通气。 2．观