Номер 1, страница 33 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

1. Прибор для измерения скорости. Принцип его действия.

1. Прибор для измерения скорости. Принцип его действия.

Для измерения скорости используется множество приборов, выбор которых зависит от измеряемого объекта и среды. Самым известным прибором является спидометр, используемый в транспортных средствах. Другими распространенными приборами являются радары и GPS-приемники.

Спидометр

Это прибор для измерения скорости движения транспортного средства. Существует два основных типа: механический и электронный.

Принцип действия механического спидометра:

Он основан на явлении электромагнитной индукции. Гибкий вал, соединенный с коробкой передач или колесом, вращает постоянный магнит внутри прибора. Вращающееся магнитное поле создает вихревые токи (токи Фуко) в легком алюминиевом или медном колпачке, который соединен со стрелкой-указателем. Взаимодействие вихревых токов с магнитным полем порождает вращающий момент, который стремится повернуть колпачок со стрелкой в ту же сторону, куда вращается магнит. Этому повороту противодействует упругая спиральная пружина (волосок). Стрелка поворачивается на такой угол, при котором вращающий момент уравновешивается упругим моментом пружины. Так как вращающий момент пропорционален скорости вращения магнита, то и угол поворота стрелки пропорционален скорости движения автомобиля. Шкала прибора градуируется в единицах скорости (км/ч или миль/ч).

Принцип действия электронного спидометра:

В современных автомобилях используются электронные спидометры. Их работа основана на подсчете электрических импульсов, генерируемых датчиком скорости. Датчик (часто это датчик Холла или индуктивный датчик) устанавливается на коробке передач или на ступице колеса. Он регистрирует вращение и вырабатывает последовательность импульсов, частота $\text{f}$ которых прямо пропорциональна скорости вращения, а следовательно, и скорости движения $\text{v}$. Электронный блок управления (ЭБУ) или отдельный микроконтроллер считывает эту частоту, вычисляет скорость по формуле $v = k \cdot f$ (где $\text{k}$ — постоянный коэффициент, зависящий от передаточного числа и длины окружности колеса) и выводит результат на цифровой дисплей или управляет шаговым двигателем для перемещения стрелки аналогового указателя.

Радарный измеритель скорости (радар)

Принцип действия этого прибора, часто используемого дорожной полицией, основан на эффекте Доплера. Радар излучает электромагнитную волну (обычно в радио- или микроволновом диапазоне) с известной частотой $f_0$. Эта волна отражается от движущегося объекта (например, автомобиля) и возвращается к приемнику радара. Из-за движения объекта частота отраженной волны $\text{f}$ отличается от исходной. Если объект приближается, частота увеличивается ($f > f_0$); если удаляется — уменьшается ($f < f_0$). Прибор измеряет сдвиг частоты $\Delta f = |f - f_0|$ и по нему вычисляет скорость объекта $\text{v}$:

$v = \frac{c \cdot \Delta f}{2 f_0 \cos \alpha}$

где $\text{c}$ — скорость света, а $\alpha$ — угол между вектором скорости объекта и направлением на радар.

GPS-приемник

Скорость также можно измерять с помощью систем глобального позиционирования (GPS, ГЛОНАСС). Принцип прост: приемник с высокой периодичностью определяет свои географические координаты. Вычисляя расстояние $\Delta s$ между двумя последовательными точками, определенными в моменты времени $t_1$ и $t_2$, и разделив его на прошедшее время $\Delta t = t_2 - t_1$, можно найти среднюю скорость на этом малом участке: $v = \frac{\Delta s}{\Delta t}$. Современные GPS-приемники выполняют эти вычисления много раз в секунду, обеспечивая достаточно точное и практически мгновенное отображение скорости.

Ответ: Основным прибором для измерения скорости движения является спидометр. Его принцип действия в механическом варианте основан на создании вихревых токов вращающимся магнитом, которые отклоняют стрелку прибора. В электронном варианте скорость вычисляется на основе частоты импульсов от датчика вращения колеса или вала трансмиссии. Существуют и другие приборы: радары, использующие эффект Доплера для определения скорости по изменению частоты отраженной радиоволны, и GPS-приемники, вычисляющие скорость на основе данных об изменении положения объекта в пространстве во времени.