高中物理教学论文对六种瞬时速度测量方法的研究.doc

对六种瞬时速度测量方法的研究摘 要：通过对六种测速方法的研究，揭示了测速原理的核心本质，即长度，时间，频率，电流，电压等物理量的测量。同时文章提出教师在平时教学中要引导学生用学过的知识与方法自主设计测速方法，这体现高考考纲对实验能力的要求，能提高学生实践能力和创新能力。关键词：瞬时速度 测量原理 方法 能力运动物体瞬时速度的测量是高中物理力学实验教学中的重点和难点。因为我们在力学实验中常涉及到力，质量，位移，时间，速度，加速度等的测量。其中力，质量，位移，时间可分别用弹簧秤，天平，刻度尺，秒表，打点计时器等仪器比较方便的直接测量。而瞬时速度则很难直接测量，故瞬时速度是力学实验测量中的难点。同时高中物理力学学生实验共八个。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。瞬时速度是一个非常重要的物理量，我们只要测出了运动物体的瞬时速度，就能借助瞬时速度测定重力加速度；测量匀速圆周运动的线速度、角速度、周期、频率、向心加速度等；还可以测定物体运动所受的阻力；验证牛顿第二定律；等等。很多力学问题都得以解决，所以其又是力学实验测量的重点。笔者对近三年全国各地高考卷分析后又发现，涉及瞬时速度测量的考卷2005年有一份，2006年有三份，2007年有六份。瞬时速度测量正越来越受到全国各地高考的关注。实际教学中能用来进行瞬时速度测量的仪器有很多，学生在学习过程中普遍感到测量方法的设计找不到规律。基于此，笔者对瞬时速度的测量原理与方法做了研究。并依据测速原理不同，将测速方法分为两大类，具体如下。一、运用“物体运动规律”测速方法的研究依据物体运动规律，结合瞬时速度的定义式可以测出物体的瞬时速度。 1、瞬时速度定义瞬时速度是精确反映物体在任一时刻的运动快慢与方向的物理量。它是一个矢量。等于位矢的导数，也就是时，平均速度的极限，即，它的方向即运动路径在该点的切线方向。2、测速原理根据瞬时速度的定义，测速的关键是测出物体在微小时间内发生的微小位移。然后便可由，求出物体在该位置的瞬时速度。这样瞬时速度的测量便转化成为微小时间和微小位移的测量。3、测速方法依据以上测速原理，笔者设计了三种测速方法。方法一：直接测微小位移和微小时间法对运动物体我们可采用光电计时器、照相机、超声波测速仪等工具来记录物体在微小时间内的位移。具体如下：1）、光电计时器测速例如：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MN是水平桌面，Q是木板与桌面的接触点，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和，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=_0.2_m/s，滑块通过光电门2的速度v2=_0.5_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，则还可测木板表面动摩擦因数。2）、照相机拍照测速例如：“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（暴光时间）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L，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L，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v=。3）、超声波反射测速例如、下图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t1.0s，超声波在空气中传播的速度是V340m/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 17 m，汽车的速度是_17.9_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，在这段极短时间内汽车前进的位移，故汽车前进的速度。以上三种不同的测速仪器在具体使用过程中各有优缺点。光电门测速精度高，但对环境要求高，且使用麻烦，适合实验室使用。直接拍照和超声波适合粗略测速，但使用方便。实际操作中要根据具体情况灵活运用。方法二：测匀变速直线运动位移时间法物体作匀变速直线运动时有如下规律：在其运动时间中点，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，瞬时速度的测量也转化成为位移和时间的测量。打点计时器和频闪照片可作为此法测量的工具。具体如下：1）、打点计时器测速 例如：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50Hz的交流电源上，实验时得到一条纸带。在纸带上便于测量的地方选取第一个计时点，在这点下标明A，第六个点下标明B，第十一个点下标明C，第十六个点下标明D，第二十一个点下标明E。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_0.986_m/s，小车运动的加速大小为_2.58_m/s2（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AE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Vc=AE/tAE。2）、频闪照片测速例如：如图所示，是利用频闪照相研究自由落体运动的示意图闪光频率为10Hz的闪光器拍摄的照片中A球有四个像，像间距离已在图中标出，单位为cm，可以计算出A球在3位置的速度 2m/s 测量原理分析：速度计算原理同打点计时器测速，测出2，3两点速度后还可算出A球下落的加速度，既当地重力加速度g。方法三：测平抛运动水平位移竖直位移法当我们只关注物体在某点的速度，而其之后的运动对实验本身没有影响时，我们可以人为控制物体在被测点之后的运动，使其在被测速方向上的分速度保持不变。测量其在被测点之后在该分速度方向上发生的位移，和发生该段位移的时间，进而计算出其在被测点运动的瞬时速度。平抛运动因其水平做匀速直线运动，竖直做自由落体运动，可由其竖直高度算出其运动时间。其规律便常用来进行速度测量。例如：在验证动量守恒定律的实验中，某学生记录的数据如下表所示，实验装置如图所示。根据下述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）。ma(g)mb(g)OA(cm)OC(cm)OB(cm)20.010.015.1763.8147.29测量原理分析：a与b碰前速度为v1, 碰后速度为,b碰后速度为v2。要证明a、b球相碰动量守恒，既ma v1= ma v1+ mb v2，测v1 ,v1 ,v2是实验测量的难点。由于a、b球碰后作平抛运动，故平抛的初速度v由抛出点到落地点间的水平距离s，和竖直距离H共同决定,由平抛运动规律得，由于a、b球平抛高度相同，故。所以只要证明ma OB= ma OA+ mb OC，就证明了ab球相碰动量守恒，瞬时速度测量转化成了水平分运动位移的测量。二、运用“特殊物理规律”测速方法的研究除了根据物体运动规律测速外，根据一些特殊的物理规律也可以设计出很多测速方法。方法四：多普勒效应测速法由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者接收到频率发生变化的现象叫做多普勒效应。依据此原理，速度的测量便转化成了频率的测量。例如：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=440Hz,当火车驶过他身旁后, 测得汽笛声的频率降为f2=392Hz.运用多普勒效应可求出火车的速率。 (空气中的声速v=330m/s)测量原理分析：设汽笛原来的频率为f，火车的速率为u，根据多普勒效应当火车驶近观察者时，观察者接收到的频率为，当火车驶离观察者时，观察者接收到的频率为，由上述两式解得火车的速率。方法五：电磁感应规律测速法依据电磁感应定律可将速度测量转化为电压或电流等电学量的测量。例如：电磁流量计是广泛应用于测量可导电流体(如污水)在管中的流量(在单位时间通过管内横截面的流体的体积).为了简化,假设流量计是如图所示的横截面为长方形的一段管道.其中空部分长,宽,高分别为图中的a,b,c.流量计两端与输送流体的管道相连, （图中虚线）.图中流量计的上下两面是金属材料,前后两面是绝缘材料.现于流量计所在处加磁感强度为B的匀强磁场,磁场方向垂直于前后两面.当导电流体稳定地流经流量计时,在管外将流量计上下两表面分别与一串接了电阻R的电流表的两端相连接,I表示测得的电流值,已知液体的电阻率为, 不计电流表的内阻，则可测的导电液体的流速v，进而可测出流量Q。 测量原理分析：可导电流体稳定流经磁场区域时，其相当于是一个电源，可等效为一长为c的导体在切割磁感线，利用电磁感应定律和电阻定律可计算出该电源电动势E=Bcv，内电阻，电流表测出电路中的电流强度为I，由闭合电路欧姆定律 ，可计算出流速。进而可算出流量为。方法六、机械能守恒测速法根据机械能守恒定律可将速度的测量转化为长度的测量例如：测喷水池的竖直向上喷水的初速度，空中阻力不计，测的水柱高h=5m。测量原理分析：水向上做竖直上抛运动，以一滴质量为m的小水珠为研究对象，其在上升过程中动能转化为重力势能，满足机械能守恒定律，即，故喷水的速度。结束语：以上六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，电流，电压等物理量，成功化解了测量难点。当然一定还有其它方法。“2008年理科综合高考考纲物理部分”中的能力要求里明确指出“能灵活地运用已学过的物理理论、实验方法和仪器去处理问题。”故教师应该在教学中引导学生在学习过程中，运用学过的知识自主设计新的测量方法。这体现高考考纲对实验能力的要求，能很好的提升学生的实验能力，并且对培养学生的实践能力和创新能力都非常有益。