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科技信息 高校理科研究 瞬时速度测量方法的探讨 陕西理工学院物理系 张 欣 刘 筠 ［摘 要］本文介绍了瞬时速度的物理意义和测量原理,讨论了用不同仪器测量瞬时速度的三种方法，并对这三种测量方法的优缺点 及测量特点进行了分析比较。 ［关键词］瞬时速度 测量方法 光电门 引言 2.3 用阿托武德机测瞬时速度 瞬时速度的概念有着不同的表述，常用的表述为：v 瞬 =lim Δs ，理 英国物理学家阿托武德(Atwood)于1784 年首先提出了通过测量匀 Δt→0 Δt 速直线运动的速度来测量瞬时速度的实验方法。虽然这个装置比较少 论上求瞬时速度是用数据推算的方法。实验中则要求平均速度能最大 见，但对我们还是有一定的启发的。 程度地接近瞬时速度值，即尽量使测得的Δt 接近于0。在物理实验中， 实验装置如图3 所示，实验时，先使滑轮两边砝码的重量差等于运 主要用光电门，打点计时器等实验装置来演示与测量物体的瞬时速度。 动中的阻力，这样砝码将作匀速直线运动。当在较重的一边加上附加砝 本文主要论述了用常见的三种测量仪器测量瞬时速度的方法，并分析 码后，下落时就作匀加速直线运动。砝码在下落到圆环位置时，附加砝 和讨论了这三种测量方法的优缺点及各自的测量特点。对指导瞬时速 码被圆环截住，砝码就在通过圆环的那一瞬间由匀加速运动变为匀速 度的测量有积极的意义。 运动。根据两光电门的间距与砝码通过两光电门所需的时间之比，即可 1.瞬时速度的物理意义和测量原理 测出砝码通过圆环时的瞬时速度。上下移动圆环的位置，可以测出砝码 瞬时速度的物理意义，可以从两个方面把握：一个是依据公式v 瞬 在不同位置(或时刻)的瞬时速度。 Δs =lim ，当时间间隔Δt 取得越来越小时，对应时间内的平均速度就越 Δt→0 Δt 趋向一个定值，实验证明，当Δt 趋向于0(实际上是足够小时)，原变速直 线运动可当作匀速直线运动来处理，平均速度的极限值就等于该时刻 的瞬时速度。另一方面我们可以在s- t 图像上来理解，对应某时刻(或某 位置)的某点的切线的斜率，就是该时刻的瞬时速度。 瞬时速度可以用等效的方法近似测量。通常我们研究的是一个作 变速直线运动的物体，在其运动过程中选定一小段，用其平均速度近似 地来代替瞬时速度。这个平均速度，虽然只能粗略地反映运动质点在这 段时间内的平均快慢程度，但如果我们把时间取得越短，物体速度的变 [1] 化就越小，我们用仪器测得的数值就越接近物体某时刻的瞬时速度值 。 依据瞬时速度的表述，当该段时间趋向0 时，这个平均速度的极限值就 等于该时刻的瞬时速度，所以这个方法是可行的。 2.瞬时速度的测量方法 基于瞬时速度的测量原理，在实验室一般可以用以下几种方法测 量瞬时速度。 2.1 用光电门在气垫导轨上测量物体的瞬时速度 图3 阿托武德机 气垫导轨是剖面中空的铝制型材，相互垂直的两个面上有几排小 1.钢皮尺; 2,4.光电控制门; 3,5.光电门调节旋钮; 孔。压缩空气可以从小孔中喷出，使滑块和导轨之间形成一层空气膜， 6,13.砝码; 7,17.电磁铁; 8.和计时器连接的插座; 形成一个可以忽略摩擦的环境。滑块能在导轨上作近似无阻力的直线 9.垂直基准; 10.底盘调节螺丝; 11.落球网;12.重锤; [2] 运动，使实验结果更接近理