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1.3位置变化快慢的描述-速度

高中物理
问题?
生活和科学研究中经常需要知道物体运动的快慢和方向,你还记得初中是怎样描述物体运动快慢的吗?运动员在比赛中的不同时段,运动的快慢一样吗?
不同的运动,位置变化的快慢往往不同,也就是说,运动的快慢不同。我们已经用位移来表示位置的变化,那么,怎样比较物体运动的快慢呢?物理学中用位移与发生这段位移所用时间之比表示物体运动的快慢,这就是速度( velocity )
速度通常用字母v表示,如果在时间△t内物体的位移是△x,它的速度就可以表示为
速度定义
在国际单位制中,速度的单位是米每秒,符号是m/s或m ·s^-1。常用的单位还有千米每时( km/h 或km·h ^-1)、厘米每秒( cm/s或cm · s^-1)等。
速度是矢量,它既有大小,又有方向。速度的方向(物体运动的方向)和位移的方向相同。
▷这里的速度和初中所学的速度含义不完全相同。
平均速度和瞬时速度
一般来说,物体在某一段时间内,运动的快慢通常是变化的。所以,由△x/△t求得的速度v,表示的只是物体在时间△t内运动的平均快慢程度,叫作平均速度( averagevelocity )。
思考与讨论
平均速度描述物体在一段时间内运动的平均快慢程度及方向。那么,怎样描述物体在某一时刻运动的快慢和方向呢?
可以设想,用由时刻t到t+△t一小段时间内的平均速度来代替时刻t物体的速度,如果△t取得小一些,物体在△t这样一个较小的时间内,运动快慢的差异就不会太大。△t越小,运动快慢的差异就越小。当△t非常非常小时,运动快慢的差异可以忽略不计,此时,我们就把△x/△t叫作物体在时刻t的瞬时速度( instantaneous velocity )
匀速直线运动是瞬时速度保持不变的运动。在匀速直线运动中,平均速度与瞬时速度相等。
瞬时速度的大小通常叫作速率( speed )。汽车速度计不能显示车辆运动的方向,它的示数实际是汽车的速率(图1.3-1)。日常生活中说到的“速度”,有时是指速率,要根据上下文判断。
 
汽车速度计
实验
测量纸带的平均速度和瞬时速度
测量平均速度   我们知道,用手拉通过打点计时器的纸带时,纸带运动确定时间内的位移信息就被记录下来,据此,可以计算纸带的运动速度。
图1.3-2是打点计时器打出的一条纸带示意图。若想计算实验时运动的纸带在D、G两点间的平均速度v,只需测出D、G间的位移△x和所用的时间△t,就可以算出平均速度
高中物理
请根据上述方法,计算上节实验中运动的纸带某些点间的平均速度。
 
计算每隔0.1s平均速度纸带示意图
每隔0.1 s(或更短)计算一次平均速度。
1.在图1.3-2中选取纸带上一点为起始点0,后面每5个点取一个计数点,分别用数字1,2,3,…标出这些计数点;
2.测量各计数点到起始点О的距离x,记录在表1中﹔
3.计算两相邻计数点间的位移△x,同时记录对应的时间t;
4.根据△x和△t计算纸带在相邻计数点间的平均速度v。
表1手拉纸带的位移和平均速度
高中物理
测量瞬时速度下面考虑如何测量图1.3-2中E点的瞬时速度。
 
计算每隔0.06s的平均速度纸带示意图
E点在D、G两点之间,D、G两点间的平均速度我们可以求出。如果不要求很精确,用这个平均速度粗略地代表E点的瞬时速度,也未尝不可。不过,如果把包含E点在内的间隔取得小一些,例如取图1.3-3中的DF线段,那么经过D、F两点所用的时间△t就会变短,用两点间的位移△.x和时间△t算出的平均速度代表纸带在E点的瞬时速度,就会精确一些。D、F两点离E点越近,算出的平均速度越接近E点的瞬时速度。
 
D、F两点间距离过小,测量误差会增大。所以,实际测量中要根据需要及所用仪器的情况,在要测量的点附近选取合适的位移和时间。请考虑此实验中产生误差的原因。
 
请根据上述测量瞬时速度的方法,计算上节实验中纸带上各计数点的瞬时速度。每隔0.06 s计算一次速度。
1.从纸带起始点О算起,后面每3个点取一个计数点;
2.测量各计数点到起始点О的距离x,记录在表2中;
3.计算两相邻计数点间的位移△x,同时记录对应的时间 △t;
4.根据△x和△t算出的速度值就可以代表在△x这一区间内任意一点的瞬时速度。将算出的各计数点的速度值记录在表2中。
表2手拉纸带各计数点的瞬时速度
高中物理
速度—时间图像
物体运动的速度随时间变化的情况可以用图像来直观表示。以时间t为横轴,速度v为纵轴,坐标中的图像即为速度—时间图像v-t图像
在方格纸上建立直角坐标系,根据自己算出的手拉纸带的v、t数据,在坐标系中描点,练习画v-t图像。
 
 
v-t图像
图1.3-4甲是根据某同学的实测数据所描的点,从这些点的走向能够大致看出纸带运动速度的变化规律。为了更清晰些,可以用折线把这些点连起来(图1.3-4 乙)。然而我们知道,通常速度不会发生突变,所以,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更加接近(图1.3-4丙)。
▶如果有些点难以落在曲线上,应该使它们大致均匀地分布在曲线两侧。这样曲线就更符合实际的规律。
拓展学习
借助传感器与计算机测速度
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(图1.3-5)。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。
实验室用位移传感器测速度的装置
图1.3-6是利用位移传感器测量速度的示意图。
位移传感器测速度的原理
这个系统由发射器A与接收器B组成,发射器A能够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固定在被测的运动物体上,接收器B固定在桌面上或滑轨上。测量时A向B同时发射一个红外线脉冲和一个超声波脉冲(即持续时间很短的一束红外线和一束超声波)。B接收到红外线脉冲开始计时,接收到超声波脉冲时停止计时。根据两者的时差和空气中的声速,计算机自动算出A与B的距离(红外线的传播时间可以忽略)。
经过短暂的时间△t后,传感器和计算机系统自动进行第二次测量,得到物体的新位置。算出两个位置差,即物体运动的位移△x,系统按照
速度定义
算出速度v,显示在屏幕上。所有这些操作都可以在不到1 s的时间内自动完成。
 
 
还有另外一种位移传感器,如图1.3-7所示。
另一种位移传感器测速度的原理
这个系统只有一个不动的小盒C,工作时小盒C向被测物体D发出短暂的超声波脉冲,脉冲被运动物体反射后又被小盒C接收。根据发射与接收超声波脉冲的时间差和空气中的声速,可以得到小盒C与运动物体D的距离x)、x,以及△x和△t,从而系统也能算出运动物体D的速度v。

练习与应用
1.把纸带的下端固定在重物上,纸带穿过打点计时器,上端用手提着。接通电源后将纸带释放,重物便拉着纸带下落,纸带被打出一系列点,其中有一段如图1.3-8所示。
打点计时器
(1)图中所示的纸带,哪端与重物相连?
(2)怎样计算在纸带上打A点时重物的瞬时速度?说出你的理由。
2.图1.3-9是甲、乙两物体沿某一直线运动的v-t图像,
vt图像
至少从以下三个方面分别说明它们的速度是怎样变化的。
(1)物体是从静止开始运动还是具有一定的初速度?
(2)速度的大小变化吗?是加速还是减速?
(3)运动的方向是否变化?
3.汽车从制动到停止共用了5 s。这段时间内,汽车每1 s前进的距离分别是9 m、7 m、5 m、3 m、1 m(图1.3-10 )。
汽车刹车过程
(1)求汽车前1 s、前2s、前3 s、前4 s 和全程的平均速度。在这五个平均速度中,哪一个最接近汽车刚制动时的瞬时速度?它比这个瞬时速度略大些,还是略小些?
( 2)汽车运动的最后2s的平均速度是多少?
 
 

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