集测速度方法 提高整合能力

精确测量物体的速度一直是科学家和工程技术人员追求的目标， 在研究过程中设计出了很多经典的方法和方案。这些方法和方案来自不同的知识板块，编者常把这些方法方案汇编成高考题或者练习题，来检测学生的综合应用能力。若在学习的过程中让学生有意识的把它们搜集、整理起来，无疑会提高学生整合能力，使学生从理解基础知识的层面提升到综合解决问题的层面来，使学生感受到科学技术与物理学的关系，体验创新者的智慧。通过这样的活动来引领学生向更高的认知需求发展。以下是笔者与学生一起收集和整理的部分内容仅供读者参考。

测量原理：利用双缝干涉现象中实验结论：

激光散斑测速：激光散斑测速是一种崭新的测速技术，它应用了光的干涉原理。用二次曝光照相所获得的“散斑对”相当于双缝干涉实验中的双缝，待测物体的速度v与二次曝光时间间隔t的乘积等于双缝间距。实验中可测得二次曝光时间间隔t、双缝到屏之距离l以及相邻两条亮纹间距x。若所用激光波长为λ，求该实验确定物体运动速度？

解析：二次曝光照相类似频闪摄影原理，在同一张同底照片上留下两个曝光后的影像，这两个影像成为散斑对，相当于双缝干涉实验中的双缝。

待测物体的速度v与二次曝光时间间隔t的乘积等于双缝间距d =v・t ……①

双缝干涉现象中实验结论 ………②

上式联立可得：

(二)测量原理：利用电磁感应原理

案例一：在被测物体上安装上产生匀强磁场的装置，在某一定高度安装已知尺寸的矩形线圈，线圈接到传感器上通过电脑把物体运动信号转化成电信号，由公式E=Blv或根据i=Blv/R加以分析。实例分析，为了测量列车的运行速度可采用如图所示的装置（俯视图），它是由一块安装在列车车头底部的强磁体和埋设在轨道地面的一组线圈及电流测量纪录仪组成。当列车经过线圈上方时线圈重产生的电流被记录下来，就能求出列车在各位置的速度和加速度。假设磁体端部的磁感应强度B，且全部集中在端面范围内，与端面垂直。磁体的宽度与线圈宽度相同，且都很小，线圈匝数N、宽度L.总电阻R,测试记录下来的电流---位移图像如图所示。

试计算在离O点l0处的速度v的大小?

解析：由图像可知火车头部磁场区进入

线圈所包围的区域与线圈相对运动，产生

感应电动势，由右手定则可知，电流的方向

相反如图所示 ，大小由闭合电路欧姆定

律可的：……①

感应电动势E=Blv……② 联立可得：

（三）测量原理：利用超声波反射特点和其在空气中确定的波速

利用超声波遇到物体反射的性质，可测定物体运动的有关参量，如图（a）中仪器A和B通过电缆线驳接，B为超声波发射与接收一体化装置，而仪器A和B提供超声波信号源而且能将B接收到的超声波信号进行处理并在屏幕上显示其波形。现固定装置B，并将它对准匀速行驶的小车C，使其每隔固定时间T，发射一短促的超声脉冲（如图b中幅度大的波形）而B接收到的由小车C反射回的超声波经仪器A处理后显示如图b中幅度小的波形，反射滞后的时间已在图中标出，其中T和ΔT为已知量，另外还知道该测定条件下声波在空气中的速度为v0，则根据所给信息可判断小车的运动方向和速度大小怎样？

解析：根据图b的信息可知反射滞后的时间越来越长，说明小车离固定装置B越来越远，所以可判断小车向右运动。为求小车的速度我们不妨建立如图所示的坐标系，固定装置B所在的位置为坐标原点O，小车第一次反射声波的位置x1,第二次反射声波的位置为x2,这两次的位置之差为在这两次反射时间间隔内的位移Δx

由题意可知,超声波发出后匀速运动碰到障碍物被反射如图所示，路程是位移为大小的二倍则： ；

同理：，

所以Δx= x2―x1……①

这两次反射时间间隔如图（b）中阴影部分长度所示……②所以由速度的定义式()得：

(四)圆周运动与直线运动的结合

如图下图实施特恩在1920年设计的测定气体分子的速率的实验示意图。A、B是两个同轴的圆筒，以一定的角速度一起旋转。A筒壁开有一与筒的轴线平行的狭缝O，沿轴线放置一根涂有银层的细铂丝，抽去两筒间的空气 ，当铂丝通电后，银层蒸发，圆筒内充满了银原子的气体，一些银原子会通过狭缝到达圆筒的内层表面沉积起来，形成沉积带。若测得旋转角速度ω沉积带弧长s，圆筒半径分别为RA、RB，求室温下银原子的速率？

解析：单银原子的速率相对不大时，它离开狭缝在两筒间飞行内，由于B筒已转过一定角度，当银原子连续的通过狭缝时，就会在B内壁上沉积而成一原弧形带，带长正好等于

银原子通过两筒之间的同一时间内B筒转过的弧长，设银原

子的速率v，则由时间相等得：

变形得：

(五)电磁流量计原理：

电磁流量计广泛适用于测量可导电的液体的流速，进而可测出液体的流量。为简化，假设流量计是如图所示的横截面为长方形的一段导管，其中空部分的长、宽、高分别为图中的a、b、c 。流量计量端与输液流体的管道相连（图中虚线），图中流量计的上下两个表面是金属材料，前后两面是绝缘材料，现在流量计所在处，加有垂直于前后两面的磁感应强度为B的匀强磁场，当导电流体稳定的流经流量计时，在管外将流量计上下两表面分别与一串联了电阻R的电流表的两端连接，I表示测得的电流值。已知流体的电阻率为ρ ，不计电流表的内阻，求流体的流速？

解析：当导电液体沿管道流经流量计时，导电流体中的自由电荷（正负离子）在洛伦兹力作用下偏转，使流量计的上下两个表面聚集了正负电荷，则上下两个表面存在了电势差 。其测量等效电路如图所示，

由动生感应电动势；E=Bcv ①

由闭合电路欧姆定律： ②

由电阻定律：③

①②③三式联立可得：

以上案例所涉及的方法原理，是在基本概念上的创新和在不同领域中的拓展构造。以上方法原理不能涵盖高中所有测速度的方法，如根据平抛运动的知识，可实现只用刻度尺测量物体的初速度，还有根据平衡原理、动量定理、动能定理、动量守恒等规律设计的方案，因篇幅所限，不一一赘述。作者本意抛砖引玉，通过这样一种方式引导学生善于总结前人的智慧、提高认知能力，不能为题所累，实现双赢。