集測速度方法 提高整合能力

【摘 要】精確測量物體的速度一直是科學家和工程技術(shù)人員追求的目標， 在研究過程中設(shè)計出了很多經(jīng)典的方法和方案。若在學習的過程中讓學生有意識地把它們搜集、整理起來，無疑會提高學生的整合能力，使學生感受到科學技術(shù)與物理學的關(guān)系，體驗創(chuàng)新者的智慧。以下是筆者與學生一起收集和整理的部分內(nèi)容僅供讀者參考。

【關(guān)鍵詞】測速；雙縫干涉；電磁感應；超聲波反射

精確測量物體的速度一直是科學家和工程技術(shù)人員追求的目標， 在研究過程中設(shè)計出了很多經(jīng)典的方法和方案。這些方法和方案來自不同的知識板塊，編者常把這些方法方案匯編成高考題或者練習題，來檢測學生的綜合應用能力。若在學習的過程中讓學生有意識地把它們搜集、整理起來，無疑會提高學生的整合能力，使學生感受到科學技術(shù)與物理學的關(guān)系，體驗創(chuàng)新者的智慧。以下是筆者與學生一起收集和整理的部分內(nèi)容僅供讀者參考。

一、利用雙縫干涉現(xiàn)象中的實驗結(jié)論

激光散斑測速：激光散斑測速應用了光的干涉原理。用二次曝光照相所獲得的“散斑對”相當于雙縫干涉實驗中的雙縫，待測物體的速度v與二次曝光時間間隔△t的乘積等于雙縫間距。實驗中可測得二次曝光時間間隔△t、雙縫到屏之距離l以及相鄰兩條亮紋間距△x。若所用激光波長為λ，求該實驗確定物體運動速度？

解析：二次曝光照相類似頻閃攝影原理，在同一張同底照片上留下兩個曝光后的影像，這兩個影像成為散斑對，相當于雙縫干涉實驗中的雙縫。待測物體的速度v與二次曝光時間間隔△t的乘積等于雙縫間距d =v·△t ……① 雙縫干涉現(xiàn)象中實驗結(jié)論△x=λ………②上式聯(lián)立可得：

二、利用電磁感應原理

案例一：在被測物體上安裝上產(chǎn)生勻強磁場的裝置，在某一定高度安裝已知尺寸的矩形線圈，線圈接到傳感器上通過電腦把物體運動信號轉(zhuǎn)化成電信號，由公式E=Blv或根據(jù)i=Blv/R加以分析。實例分析，為了測量列車的運行速度可采用如下裝置：它是由一塊安裝在列車車頭底部的強磁體和埋設(shè)在軌道地面的一組線圈及電流測量紀錄儀組成。當列車經(jīng)過線圈上方時線圈重產(chǎn)生的電流被記錄下來，就能求出列車在各位置的速度和加速度。假設(shè)磁體端部的磁感應強度B，且全部集中在端面范圍內(nèi)，與端面垂直。磁體的寬度與線圈寬度相同，且都很小，線圈匝數(shù)N、寬度L、總電阻R，測試記錄下來的電流——位移圖像。試計算在離O點l0處的速度v的大小， 解析：由圖像可知火車頭部磁場區(qū)進入線圈所包圍的區(qū)域與線圈相對運動，產(chǎn)生感應電動勢，由右手定則可知，電流方向相反，大小由閉合電路歐姆定律可的：I=……①感應電動勢E=Blv……② 聯(lián)立可得：v=

三、利用超聲波反射特點和其在空氣中確定的波速

利用超聲波遇到物體反射的性質(zhì)，可測定物體運動的有關(guān)參量，如圖（a）中儀器A和B通過電纜線駁接，B為超聲波發(fā)射與接收一體化裝置，而儀器A和B提供超聲波信號源而且能將B接收到的超聲波信號進行處理并在屏幕上顯示其波形。現(xiàn)固定裝置B，并將它對準勻速行駛的小車C，使其每隔固定時間T，發(fā)射一短促的超聲脈沖（如圖b中幅度大的波形）而B接收到的由小車C反射回的超聲波經(jīng)儀器A處理后顯示如圖b中幅度小的波形，反射滯后的時間已在圖中標出，其中T和ΔT為已知量，另外還知道該測定條件下聲波在空氣中的速度為v0，則根據(jù)所給信息可判斷小車的運動方向和速度大小怎樣？

解析：根據(jù)圖b的信息可知反射滯后的時間越來越長，說明小車離固定裝置B越來越遠，所以可判斷小車向右運動。為求小車的速度我們不妨建立坐標系，固定裝置B所在的位置為坐標原點O，小車第一次反射聲波的位置x1，第二次反射聲波的位置為x2，這兩次的位置之差為在這兩次反射時間間隔內(nèi)的位移Δx。

由題意可知，超聲波發(fā)出后勻速運動碰到障礙物被反射如圖所示，路程是位移為大小的二倍則：x1=； 同理： x2=， 所以Δx= x2-x1……①，這兩次反射時間間隔如圖（b）中陰影部分長度所示Δt=(T0+T+ΔT)--()………②，所以由速度的定義式(v=)得：v=。

以上案例所涉及的方法原理，是在基本概念上的創(chuàng)新和在不同領(lǐng)域中的拓展構(gòu)造。以上方法原理不能涵蓋高中所有測速度的方法，因篇幅所限，下期將繼續(xù)介紹。讀者亦可展開討論，集思廣益。

【參考文獻】

[1]《高效學習法:高中物理(選修3-4)(配套人民教育出版社實驗教科書)》薛金星

[2]《激光多普勒測速技術(shù)及應用》沈熊，清華大學出版社

（作者單位：山東省無棣縣第一中學）