Методы измерения скорости тел

Методы измерения скорости тел

А.Р. Закиров

(Лицей-интернат для одаренных детей

с углубленным изучением химии

филиала ФГБОУ ВО «КНИТУ»)

Скорость движения тела является важной физической величиной. Зная скорость можно найти множество механических величин. В ходе выполнения школьником исследовательской работы «Электромагнитный ускоритель массы» возникла задача по нахождению КПД устройства, для этого нужно знать начальную скорость пули. Мы рассмотрели различные методы измерения скорости и выделили основные виды измерения скорости пули.

Скорость полета пули обычно достигает значительной величины: у духового ружья она составляет 150 - 200 м/с, а у боевой винтовки 1000 м/с. Поэтому прямое измерение скорости, т. е. определение времени, за которое пуля проходит известное расстояние, требует специальной аппаратуры. Много проще измерять скорость пули косвенными методами.

1. Методы баллистического и крутильного маятника.

Пусть летящая пуля испытывает неупругий удар со свободным неподвижным телом значительно большей массы. После удара тело начинает двигаться, причём скорость его во столько раз меньше скорости пули, во сколько раз масса пули меньше массы тела. (Этот результат легко получить с помощью закона сохранения количества движения.) Если теперь измерить сравнительно небольшую скорость тела, то легко можно вычислить и скорость полета пули.

2. Кинематический метод.

Кинематический метод основан на том, что за время t, в течение которого пуля пролетает известное расстояние d между равномерно вращающимися бумажными дисками, они поворачиваются на угол φ. Тогда, записав соответствующие кинематические соотношения для движения пули между дисками и вращения дисков, легко получить, что скорость пули υ находится по формуле υ =  d/φ, где  – угловая скорость вращения дисков

3. Полет тела брошенного под углом к горизонту

Чтобы найти начальную скорость снаряда можно использовать формулу дальности полета тела брошенного под углом к горизонту.

где v₀- начальная скорость снаряда; α- угол под которым брошено тело(для удобства можно взяли угол 45°); g=9,8 м/с² ускорение свободного падения

4. Акустический метод

С помощью микрофона записываем звук выстрела и звук попадания в мишень. Учитывая конечность скорости звука и расстояние до микрофона можно найти время полета t. Измерив расстояние до мишени S можно рассчитать скорость пули по формуле равномерного движения v = s / t. Подобные измерения можно облегчить используя микрофон смартфона и приложение Chrono Connect.

5. Запись высокоскоростной камерой.

Записать полет пули с помощью высокоскоростной камеры. Определить с помощью записи расстояние s и время t , рассчитать скорость по формуле равномерного движения v = s / t

6. Использование специального прибора хронографа

Прибор предназначен для измерения начальной скорости пули, что позволяет определить мощность винтовки или пистолета, подобрать оптимальный тип пуль к ней, составить таблицу баллистических поправок, сверить стартовую скорость до и после модернизации. Работает это устройство следующим образом. Пуля пролетая под светодиодами перекрывает их свет, что регистрируется фототранзисторами. Зная расстояние между фототранзисторами и посчитав время между сигналами с фототранзисторов можно вычислить скорость пули по формуле: v = s / t , где v - скорость, s - расстояние и t - время.

Все эти методы дают возможность более глубокого понимания сложных разделов физики: законов сохранения импульса и энергии, законы вращательного движения движение тела брошенного под углом к горизонту, акустика, электротехника. В зависимости от способностей ученика и класса в котором он учиться можно выбрать тот или иной метод измерения.

Литература

1. Агапов Б.Т., Максютин Г.В., Островерхов П.И. Лабораторный практикум по физике. – М.: Высшая школа, 1982.

2. Детлаф Л. Л., Яворский Б. М. Курс физики. – М.: АCADEMA, 2005. – 720 с.

3. Механика. Кинематика и динамика поступательного и вращательного движения : лабораторный практикум К-402.1 по дисциплине "Физика"для технических специальностей и направлений подготовки всех форм обучения / Министерство науки и высшего образования Российской Федерации,Кузбасский государственный технический университет им. Т. Ф. Горбачева",Кафедра физики ; составитель И. С. Елкин. – Кемерово : КузГТУ, 2020. – 37 с.– URL: http://library.kuzstu.ru/meto.php?n=5228.