一、实验步骤
(1)将电磁打点定时器固定在水平台面上测量平均速度的方法,将纸带穿过限位孔,将复写纸放在定位轴上,压入纸带内;
(2)将电磁打点定时器的两端接8V低压交流电源;
(3)接通电源,用手横向带动纸带,使纸带沿水平方向移动,在纸带上标出一连串的圆点,然后立即关闭电源。
2.数据处理
(1) 检测平均率
① 在纸带上选择一点作为起点0,前面每5个点取一个计数点,分别用数字1、2、3、……标记这些计数点;
②测量各计数点到起点0的距离x,记入表1;
③ 计算相邻两个计数点之间的位移Δx,同时记录对应的时间Δt;
④ 根据Δx和Δt估算相邻计数点间磁带的平均速度v。
(2)瞬时速度的检测
① 从纸带起点0开始计数,前面每3个点取一个计数点;
②测量各计数点到起点0的距离x,记入表2;
③ 计算相邻两个计数点之间的位移Δx,同时记录对应的时间Δt;
④根据Δx和Δt计算出的速率值可以代表Δx区间内任意一点的瞬时速率。 将每个计数点的计算速度值记录在表2中。
3.偏差分析
(1)用平均速率代替计数点的瞬时速率导致偏差。 为了减少这种偏差,应取以计数点为中矩的最近两点间的位移Δx来计算平均速度。
(2)检测计数点间位移Δx引起的偏差。 减少这种偏差的方法:首先,取计数点时,相邻两个计数点之间的距离不能太小; 第二,一次性测量每个计数点到初始计数点的距离,然后分别估计相邻计数点之间的距离。
其他测量瞬时速度的方法
1.使用传感器和计算机测量速度
(1) 如图所示。 参见图1,是位移传感检测率的示意图。 该系统由发射器A和接收器B组成。发射器A还可以发射红外线和超声波信号,接收器B可以接收红外线和超声波信号。 发射器A固定在被测移动物体上,接收器B固定在桌面或导轨上。 检测时,A同时向B发出红外线脉冲和超声波脉冲(即一束红外线和一束持续时间很短的超声波)。 B接收到红外线脉冲时开始计时,接收到超声波脉冲时停止计时。 电脑根据两者的时间差和空气中的波速,人工计算出A和B的距离(红外线的传播时间可以忽略不计)。
在短时间Δt后,传感和计算机系统手动进行第二次检测以获得物体的新位置。 计算两个位置差,即物体运动的位移Δx,系统根据v=Δx/Δt计算出速度v,并显示在屏幕上。 所有这些操作都可以在不到 1 秒的时间内手动完成。 这样测得的速度是发射机 A 随时间变化的平均速度 Δt。 但Δt很短,一般设置为0.02s,所以Δx与Δt的比值可以代表此时发射机A(即运动物体)的瞬时速度。
(2)另一个位移传感器,如图2所示。这个系统只有一个不动的小盒子C。 工作时,小盒子C向被测物体D发出短超声波脉冲。 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波速,小盒子C之间的距离x1、x2、Δx、Δt得到运动物体D,然后系统可以计算出运动物体D的速度v。
2.借助光电门测量瞬时速率
实验装置如图3所示,一辆货车从一端凸起的木板上滑下。 木板旁安装光电门。 A 管发出光,B 管接收光。 当固定在汽车上的遮阳板通过光电门时,遮光,遮光时间可直接从记录仪读取。 这段时间正是遮阳板通过光电门的时间。 根据遮光板的厚度Δx和测得的时间Δt,可以计算出遮光板通过光栅的平均速度(v=Δx/Δt)。 由于遮光板的厚度Δx很小,可以认为这个平均速度就是货车通过光电门的瞬时速度。
3.借助频闪摄影估计物体的速度
频闪摄影法是利用照相技术,以一定的间隔对光线进行曝光,从而在胶片上产生间隔相同的影像的方法。 频闪摄影用的是频闪灯,等间隔闪烁,比如0.1s闪烁一次,即每秒闪烁10次。 当物体在移动时,借助频闪照明,摄像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。 以这些方式拍摄的照片称为频闪照片。 图 4 是球从斜坡上滚下时每秒闪烁 10 次的频闪照片示意图。 照片中每两个相邻球的图像之间的时间间隔为0.1s,记录了物体的运动。 时间。 可以用卷尺测量物体运动的位移。 与打点器记录的信息相比,频闪灯的闪烁频率相当于打点器交流电源的频率,同一时间间隔出现的图像相当于打点器产生的点痕定时器。 为此,运动物体的频闪照片不仅记录了物体运动的时间信息,还记录了物体运动的位移信息。 至于平均速度和瞬时速度,与从打点计时器分析纸带时使用的方法相同。
使用实验数据时的注意事项
(1) 平均速度可由v=Δx/Δt计算。 计算瞬时速率时,应取包括该点在内的最短时间间隔,用平均速率代替瞬时速率。 同时要注意两点宽度过小造成的检测偏差。
(2)注意相邻两个计数点的时间间隔,明确周期与频率T=1/f的关系。
(3) 注意纸带中涉及的字母、数字以及数据的含义和单位,这些在国际单位制中是没有的,应换算成国际单位制。
(4)注意题干要求测量平均速度的方法,明确保留有效数字的规则。 从右边第一个非零数字到最后一个数字,有多少位,也就是有多少位有效数字。