杨晓瑜

摘 要：高考力学创新实验以基本力学模型为基础，依托运动学和力学规律设计实验。速度的测量是力学实验关键考查点。速度测量往往作为力学创新实验的暗线穿行其中。掌握速度的测量方法才能有效地解决力学实验。

关键词：瞬时速度;速度测量;转换法

一、 根据物理意义或定义进行测量

速度是反映物体运动快慢的物理量，普通高中物理教科书《物理必修一》在引入瞬时速度这个概念前先学习了平均速度的概念。平均速度只能大致反映出物体在某个运动过程中的快慢。如果需要具体到物体运到到某个位置或者某个时刻的快慢那就要用瞬时速度来表示。

即v=limΔt→0ΔsΔt，Δt趋于0，平均速度可认为近似该点的瞬时速度。

光电门测速度

光电门测速度的原理是当遮光片经过光电门时光电计时器记录下光线被切断即遮光时间（Δt），由于遮光板的宽度较小，遮光时间极短，根据遮光板的宽度和遮光时间v=dΔt计算出物体通过光电门时的瞬时速度。光电门配合光电计时器可以用来计时、测速、计数等。

【例1】 （2020·全国卷Ⅰ，23）假如某个同学利用下图的实验装置，对动量定理进行验证，已知其在验证过程中，所使用的仪器分别为滑块、气垫导轨、光电门、砝码盘和砝码，其中，光电门的数量为两个，且与计算机相连。具体实验步骤如下：

图1

（1）将气泵打开，然后对气垫导轨加以调节，轻轻推动滑块，在位于滑块上部遮光片通过两个光电门遮光时间    时，即可实现对气垫导轨水平的准确判断。

（2）在测量砝码和砝码盘总质量的过程中，需要对天平进行使用，其中，测量结果记为m1，而滑块的测量结果则记为m2。

（3）通过使细线穿越轻质特定滑轮的方式，使砝码盘和滑块保持连接的状态，同时利用细线，对滑块施加水平拉力，使其位置发生变化。

（4）在砝码盘和砝码的共同作用下，使滑块运动，其方向为自左向右，并同计算机连接的光电门能对遮光片经过A和B点后的遮光时间进行测量，其中，经过A点的遮光时间记为Δt1、经过B点的遮光时间记为Δt2，与此同时，还要测量遮光片由A点运动到B点所需要的时间，该时间由t12表示。

（5）在遮光片由A点移动到B点时，假设将滑块所承受的拉力视为砝码盘和砝码所承载的重力，则拉力冲量I=    ，滑块动量改变量的大小Δp=    。（用题中给出的物理量及重力加速度g表示）

（6）假设该学生在一次测量过程中，得到了如下数据：

d=1.000cm，m1=1.50×10-2kg，m2=0.400kg;

Δt1=3.900×10-2s，Δt2=1.270×10-2s，t12=1.50s，取g=9.80m/s2。计算可得I=    N·s，Δp=    kg·m·s-1。（结果均保留3位有效数字）

（7）定义δ=I-ΔpI×100%，本次实验δ=    %（保留1位有效数字）。

二、 位移轨迹测量法

（一）打点计时器、纸带测速度

中学物理实验中常用打点计时器来记录物体的运动时间和位移信息。打点计时器使用的是50Hz的交流电，接通电源后振针以0.02s的周期上下振动，在纸带上打下连续相等时间间隔的一些点。实验过程中让运动物体与纸带相连，利用打点计时器在纸带上打出连续相等时间间隔的点，根据中间时刻瞬时速度等于平均速度v=v0+vt2=st求纸带上某一点的瞬时速度即物体的速度。这是最常规的考查方式。

【例2】 （2020·全国卷Ⅲ，22）假设某位同学利用下图（a）展示的装置，对动能定理进行验证，在对木板倾角平衡摩擦力进行合理调整后，将钩码挂上，然后通过下落钩码产生的动能，促使小车发生运动，从而将纸带打出，在一次实验后，获取的纸带和有关数据如图（b）所示。

图2

若打出图2（b）中相邻两点所需的时间间隔是 0.02s，基于上图数据可求得在B点打出时的小车速度为vB=    m/s，在打出点位于P时的小车速度为vP=    m/s。（结果均保留2位小数）

假如想要对动能定理进行验证，不仅要对钩码及小车质量进行测量，同时，还要将上图数据作为依据，求取物理量，这个物理量是       。

点评：利用打点计时器在纸带上记录物体运动时间和位移信息来测量物体瞬时速度的方法在中学物理力学实验中是常规用法，但是这种方法也有一定的局限性，只適用于直线运动的物体，对于曲线运动物体的速度测量就不适合。

（二）利用频闪照相测速

频闪照片同时记录了运动物体运动的时间和位移信息。利用频闪照片记录物体的信息需要根据实物或标尺的比例推算出照片中不同时刻物体的位移，根据物理规律计算出物体的速度。

【例3】 （2020·江苏卷，11）在新冠肺炎疫情出现后，学校纷纷开展线上教学，某同学在家中为探究物理原理，于是进行了自主实验。具体实验内容是利用手机，对物体下落视频进行拍摄，并对获取的图片进行分帧处理，通过观察图片中小球的位置，对当地重力加速度进行测量，本次实验所需的装置如下图所示。

图3

（1）已知该生家中可用于实验的球体包括小钢球、塑料球和乒乓球，其中，与本次实验最契合的球体是    。

（2）下列操作步骤的标准排序为    。（填写各步骤前的序号）