高中物理实验：几种常见的测量速度的方法

高中物理实验：几种常见的测量速度的方法

在高中物理实验中，测量物体的速度是一个重要的实验内容。本文将介绍几种常见的测量速度的方法，包括电磁打点计时器、传感器、光电门和频闪摄影等。这些方法各有特点，适用于不同的实验场景。

电磁打点计时器测量速度

1. 实验装置安装

• 将电磁打点计时器固定在水平工作台上
• 将纸带穿过限位孔
• 将复写纸放在定位轴上，压在纸带上
• 将电磁打点计时器的两个端子接入8V低压交流电源

2. 数据处理

• 测量平均速度

• 在纸上选择一个点作为起始点0

• 每5个点选择一个计数点，并分别用数字1、2、3……标记这些计数点

• 测量每个计数点到起始点0的距离x，记录在表1中

• 计算相邻两个计数点之间的位移x，并记录相应的时间t

• 根据x和t计算相邻计数点之间纸带的平均速度v

• 测量瞬时速度

• 从纸带0起点开始计数，每3点取一个计数点

• 测量各计数点到起始点0的距离x，记录在表2中

• 计算相邻两个计数点之间的位移x，并记录相应的时间t

• 根据x和t计算出的速度值可以代表x区间内任意点的瞬时速度

3. 误差分析

• 用平均速度代替计数点的瞬时速度会产生误差。为了减少这种误差，应以计数点为中间时间的两个较近点之间的位移x来计算平均速度
• 测量计数点之间的位移x会产生误差。减少这种误差的方法：一是在取计数点时，相邻两个计数点之间的距离不能太小；其次，一次性测量每个计数点到起始计数点的距离，然后分别计算每个相邻的计数点之间的距离

使用传感器和计算机测量速度

1. 位移传感器测量速度

• 如图1所示，是利用位移传感器测量速度的示意图。该系统由发射器A和接收器B组成。发射器A可以发射红外和超声波信号，接收器B可以接收红外和超声波信号。发射器A固定在被测移动物体上，接收器B固定在桌子或滑轨上。测量时，A同时向B发射红外脉冲和超声波脉冲（即持续时间很短的红外线束和超声波束）。 B接收到红外脉冲时开始计时，接收到超声波脉冲时停止计时。根据两者的时间差和空气中的声速，计算机自动计算出A、B之间的距离（红外线的传播时间可以忽略不计）。
• 经过一小段时间t后，传感器和计算机系统自动进行第二次测量，以获得物体的新位置。计算两个位置差，即物体运动的位移x。系统根据v=x/t计算速度v并显示在屏幕上。所有这些操作都可以在不到1秒的时间内自动完成。由此测得的速度是发射机A在时间t期间的平均速度。但t 很短，通常设置为0.02 s，因此x 与t 的比值可以代表发射器A（即运动物体）此时的瞬时速度。

• 另一种位移传感器，如图2所示。该系统只有一个不移动的小盒子C。工作时，小盒子C向被测物体D发送短超声波脉冲。脉冲被运动物体反射后被小盒子C接收。根据超声波脉冲发射和接收的时间差以及空气中的声速，可得出小盒子C之间的距离x1、x2、x和t即可得到运动物体D，从而系统可以计算出运动物体D的速度v。

2. 光电门测量瞬时速度

• 实验装置如图3所示。一辆小车从一端升高的木板上滑落。木板旁边安装有光电门。 A 管发射光，B 管接收光。当固定在车上的遮光罩穿过光电门时，光线被遮挡，遮挡光线的时间可以直接从记录仪中读取。这段时间就是遮阳板通过光电门的时间。根据遮光板的宽度x和测量的时间t，可以计算出遮光板通过光电门的平均速度（v=x/t）。由于遮光罩的宽度x很小，因此可以认为这个平均速度就是小车通过光电门的瞬时速度。

3. 频闪摄影计算物体的速度

• 频闪摄影是利用照相技术以一定的间隔对图像进行曝光，从而在胶片上形成等间隔图像的方法。频闪灯用于频闪摄影，等间隔闪烁，如每0.1秒闪烁一次，即每秒闪烁10次。当物体移动时，利用频闪照明，相机可以等间隔地拍摄物体的图像，从而记录物体等间隔到达的位置。以这种方式拍摄的照片称为频闪照片。图4是小球滚下斜坡的频闪照片示意图，每秒闪光10次。照片中每两个相邻小球的图像间隔为0.1秒，从而记录了物体的运动时间。运动中物体的位移可以用尺子测量。与打点定时器记录的信息相比，频闪灯的闪光频率相当于打点定时器交流电源的频率，同一时间间隔出现的图像相当于打点定时器产生的点标记。点定时器。因此，运动物体的频闪照片既记录了物体运动的时间信息，也记录了物体运动的位移信息。至于求平均速度和瞬时速度，与分析点定时器产生的磁带时使用的方法相同。

处理实验数据时的注意事项

1. 平均速度可由v=x/t求得。求瞬时速度时，应取包括该点在内的尽可能短的时间间隔，用平均速度代替瞬时速度。同时要注意两点距离过小造成的测量误差
2. 注意相邻两个计数点之间的时间间隔，明确周期与频率T=1/f的关系
3. 请注意，纸带中涉及到的字母和数据，以及数据的含义和单位，均不在国际单位制中，必须转换成国际单位制
4. 注重题干要求，明确有效数字的保留规则。从左边第一个非零数字到最后一位数字，共有多少位数字，即有多少位有效数字