Номер 6, страница 66 - гдз по физике 9 класс учебник Исаченкова, Сокольский

6. Приборы для измерения скорости и ускорения.

Для измерения скорости и ускорения используются различные приборы, основанные на разных физических принципах. Ниже представлено описание основных из них.

Приборы для измерения скорости

Скорость — это физическая величина, характеризующая быстроту перемещения и направление движения тела. Основные приборы для ее измерения:

• Спидометр — прибор для измерения мгновенной скорости движения транспортных средств. Существуют разные типы:

  • Механические (индукционные) спидометры: Вращение от колес передается на постоянный магнит. Магнит, вращаясь, создает вихревые токи в металлическом диске (или колпачке), который соединен со стрелкой. Взаимодействие магнитных полей магнита и вихревых токов заставляет диск поворачиваться. Пружина возвращает диск в исходное положение. Угол поворота стрелки пропорционален скорости вращения магнита, а значит, и скорости автомобиля.

  • Электронные спидометры: Используют датчики (например, датчик Холла или оптический датчик), которые генерируют импульсы с частотой, пропорциональной скорости вращения колеса. Электронный блок управления (ЭБУ) считывает частоту импульсов, вычисляет скорость по формуле $v = \omega \cdot R = 2\pi f \cdot R$, где $f$ — частота вращения, а $R$ — радиус колеса, и выводит значение на цифровой или аналоговый дисплей.

• GPS-приемник (система глобального позиционирования) — определяет скорость, вычисляя изменение координат объекта во времени. Приемник получает сигналы от нескольких спутников, что позволяет определить его точное местоположение ($P_1$) в момент времени $t_1$. Через короткий промежуток времени $\Delta t$ определяется новое положение ($P_2$) в момент $t_2$. Скорость вычисляется как отношение пройденного пути $\Delta s$ ко времени $\Delta t$: $v = \frac{\Delta s}{\Delta t}$.

• Радар (радиолокатор) — измеряет скорость с помощью эффекта Доплера. Прибор излучает радиоволны с известной частотой $f_0$ в сторону движущегося объекта. Отраженные от объекта волны возвращаются с измененной частотой $f_r$. Разность частот (доплеровский сдвиг) $\Delta f = |f_r - f_0|$ прямо пропорциональна скорости объекта относительно радара. Этот метод широко используется дорожной полицией.

• Лидар (LIDAR - Light Detection and Ranging) — работает по принципу, схожему с радаром, но использует лазерное излучение вместо радиоволн. Он измеряет расстояние до объекта, определяя время, за которое световой импульс достигает объекта и возвращается. Производя серию быстрых измерений расстояния, лидар вычисляет скорость объекта.

• Анемометр — прибор для измерения скорости потока газа или ветра. Чаще всего используются чашечные анемометры, где скорость вращения чашек под действием ветра пропорциональна его скорости.

Ответ: Для измерения скорости используются спидометры (механические и электронные), GPS-приемники, радары, лидары и анемометры.

Приборы для измерения ускорения

Ускорение — это векторная физическая величина, показывающая, насколько быстро меняется скорость тела. Основным прибором для его измерения является акселерометр.

• Акселерометр — прибор, измеряющий проекцию так называемого кажущегося ускорения (разности между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением). Принцип действия большинства акселерометров основан на втором законе Ньютона: $\vec{F} = m\vec{a}$. Прибор измеряет силу инерции, действующую на известную массу (инерционную массу), и по ней вычисляет ускорение.

  Основные типы акселерометров:

  • Механические: Простейшая модель — это масса на пружине. При ускорении корпуса прибора масса по инерции смещается, растягивая или сжимая пружину. По величине смещения $x$, которое пропорционально силе, а значит и ускорению ($a \propto F_{упр} = kx$), судят о величине ускорения.

  • Пьезоэлектрические: Используют свойство некоторых материалов (пьезоэлектриков, например, кварца) генерировать электрический заряд при механической деформации. Инерционная масса давит на пьезоэлектрический элемент, который создает электрический сигнал, пропорциональный приложенной силе и, следовательно, ускорению. Они обладают высокой чувствительностью и широким частотным диапазоном.

  • Емкостные (в том числе МЭМС-акселерометры): В таких акселерометрах инерционная масса является одной из обкладок конденсатора. При ускорении масса смещается, что приводит к изменению расстояния между обкладками и, как следствие, к изменению электрической емкости конденсатора ($C = \frac{\varepsilon\varepsilon_0 A}{d}$). Это изменение емкости измеряется электронной схемой. МЭМС (микроэлектромеханические системы) акселерометры этого типа очень малы и широко применяются в смартфонах, планшетах, автомобильных системах безопасности (например, для срабатывания подушек безопасности).

Ответ: Основным прибором для измерения ускорения является акселерометр. Существуют различные его типы: механические, пьезоэлектрические, емкостные (МЭМС) и другие.