前面我们讲了测量纸带的平均速度和瞬时速度的实验,最后处理数据的时候,需要在坐标纸上建立以时间 t 为横轴,速度 v 为纵轴的直角坐标系,然后将测量的时间和对应的瞬时速度值以坐标点的形式画出,再用平滑的曲线将这些点连接起来,这样得到的图像就叫做速度-时间图像,简称v-t图

高中物理运动的描述知识点思维导图:高中物理运动的描述(1)

上面的图是以实测数据所描的点,从这些点的走向能够大致看出纸带运动速度的变化规律。如果用一条平滑的曲线来描出这些点,曲线所反映的情况就会与实际比较接近。

结合之前x-t图的知识能够看出,在第1s内速度变化的很快;第2s内变化不大;第3s内变化比较均匀;第4s内逐渐变小。这就说明实验中用手拉动纸带的速度并不是均匀的,也就是说纸带在做变速直线运动。

同样的我们可以在图像上找到任意时刻所对应的瞬时速度,这样就能知道质点在运动过程中的详细情况了。当然了,结合x-t图像学过的内容,v-t图像上任一点切线的斜率也应该有一定的物理意义,这个就是后面要讲的加速度

除了用打点计时器配合纸带利用图像来解决质点运动的位移和速度问题,课本中还介绍了一些方法,部分内容还是同学们做题时经常碰到的模型。

第一种 频闪相机

在暗室中有一个按照固定频率闪光的光源,当物体运动的时候,每次光源亮起照亮物体的时候,物体的像就会留在底片上。当物体穿过暗室时,就会在底片上留下一连串的像。电子频闪灯闪光的频率越高,在底片上留下的像也就越多。

高中物理运动的描述知识点思维导图:高中物理运动的描述(2)

从图中能够看出,由于每两个像之间的时间间隔都相同,乒乓球距离大说明运动的快,距离小说明运动的慢。很明显能够发现乒乓球下落的时候在加速,上升的时候在减速。

高中物理运动的描述知识点思维导图:高中物理运动的描述(3)

再看这张图,鼓槌落下时每两个像之间的距离差不多,我们就认为鼓槌在匀速下落。如果能够精确测量出这些时间间隔的位移大小,就能计算出速度的变化了。这一点可以类比打点计时器,底片相当于纸带,像相当于点,电子频闪灯就是计时工具。具体的应用就是这一节课后习题的第3题,后面讲习题的时候来具体讲解。

第二种 光电计时系统

它由光电门和数字计时器组合使用,利用挡光片通过光电门时遮挡住红外线的时间信息,再结合挡光片的宽度就能计算出物体的速度。和打点计时器相比,最大的优点就是不需要直接接触,减小了摩擦的影响。

高中物理运动的描述知识点思维导图:高中物理运动的描述(4)

光电门的内侧有红外发射和接收装置 ,工作的时候一直连通,挡光片经过的时候会挡住红外线,这时计时器开始计时;挡光片离开后红外线恢复连通,计时器停止计时。这样得到了挡光片经过光电门的时间,再测量挡光片的宽度(相当于位移),就可以计算出挡光片通过光电门的平均速度,如果时间足够小,此时的平均速度就相当于瞬时速度。

高中物理运动的描述知识点思维导图:高中物理运动的描述(5)

这一套装置还需要配合气垫导轨和滑块一起使用。具体使用方法大家可以搜索相关视频了解。

第三种 超声波测速

这个在高中的考查比较少,但是建议同学们了解一下。生活中的汽车倒车时,当很靠近障碍物的时候,车内警报就会响起,这就是利用了超声波测距的原理。

超声波发射器在发出超声波的同时开始计时,当超声波遇到障碍物反弹回来被接收器接收时停止计时。此时的时间是超声波来回的总时间,取一半就可以了;再利用声音在空气中的传播速度,就可以计算出发射器距离障碍物之间的距离了。

当物体运动到某一位置时再测一次,利用两次这样的过程,就可以计算出物体移动的位移了,再结合两次过程的时间差,就可以计算出物体移动的速度了。

第四种 计算机测速

随着信息技术的发展,中学物理的实验手段也在不断进步。用“位移传感器”把物体运动的位移、时间转换成电信号,经过计算机软件的处理,可以立刻在屏幕上显示物体运动的速度,自动绘制出物体运动的v-t图像。这样,同学们就可以用更多的时间和精力对物理过程进行分析。

高中物理运动的描述知识点思维导图:高中物理运动的描述(6)

激光位移传感器

总结

物体运动的速度-时间图像,简称v-t图,图像的画法及含义。

常用的测量物体运动速度的方法:频闪照相、光电计时器、超声波测速和计算机测速。

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