漫谈速度的测量

    一、速度的定义与直接测量法

    大千世界,天地万物都无时无刻不在相互作用着,变化着,这种变化就是运动。恩格斯有句名言：运动是物质存在的方式。物体的空间位置发生改变的运动是最简单的运动形式,称之为机械运动。我们习惯于用速度来表示物体机械运动的快慢。定义为位置r关于时间t的变化率,有平均速度和即时速度可以看出,速度具有方向性。

    由速度的定义,我们可以得到最简单的测量速度的方法,就是对物体位置改变量Δ r 和发生改变所耗费时间Δ t 的测量。

    二、速度的间接测量

    由于直接测量并不能完全满足实际的需要,人们想出了各种各样的间接测量方法。

    （一）利用已知规律,由初始条件完全决定待测物体的速度。若待测物体的运动有规律可循,如行星的椭圆运动,地面上的自由落体等等,它们的位置是时间的已知函数:r=r(t)

    那么,利用速度的定义。就可以决定物体在任一时刻的运动速度。于是,人们可以依据力学原理,通过逻辑推理或通过反复试验的方法,找出特定物体的运动规律,进而就能预测物体在任何时刻的速度,例如,火箭升空,导弹发射,等等,都可以按照人的意志决定速度的大小,达到预定的目的。

    （二）利用物体之间的关联性来测量和控制目标物体的速度。如果待测物体的运动速度和另一物体运动状态有关,而后者的速度是已知的、可测的、可控制的,我们就可以利用这种关联性算出待测速度。例如,汽车、火车等动力机车的运行速度是由发动机的运转速度所决定,因而可以先测出动力源即发动机的运转速度,然后按一定的关联性得出机车的速度。

    （三）利用物体和测量仪器之间的相互作用。测量实际就是待测物体与测量仪器之间的相互作用,这种相互作用必然使物体和仪器的状态发生改变,如果这种改变量是可测的,而且与待测物体的速度有关,我们就可以测出物体速度。比如,利用飞行的子弹穿过枪靶的厚度,可以计算子弹飞行速度；利用光通过迈克尔逊- 莫来(Michelson-Morley)干涉仪后的干涉条纹,可以测算光速及其沿不同方向传播速度的差异。

    （四）利用多普勒效应。设测量者是静止的,待测物体以速度U远离或靠近测量者,从待测物体上发出振动频率为ν,波速为V的信号,测量着接收到信号的频率会发生改变,即多普勒效应,表示为 。只要测出频率的改变量Δν,就可计算待测物体的速度U。上式只适用低速(U<

    测量星体后退速度的哈勃定律U=Hr(H为哈勃常数)        (1)

    就是利用了运动光源的多普勒效应。