20190111中学物理试验器材之光电门及其应用

1、中学物理实验器材之光电门及其应用一、光电门的介绍1、光电门的用途：与打点计时器相同，光电门也是一种测量时间长短的工具。测得的时间可直接在配套的仪器仪表上读出来。见上面两图。2、光电门的构造：光电门是一个象门样的装置 .门的两侧一边安装发光装置，一边安装接收装置并与计时装置连接.3、光电门的两种计时方式：光电门在测量时间时有两种模式。模式一：只用一只光电门，用于测量某一个具有长度或宽度的物体（如一列列车、实验室中滑块上挡光片）通过它的时间。计时方式是物体的前端通过光电门时开始挡光开始计时，物体的后 端通过光电门时挡光结束并结束计时。【例1】已知一个长为d的物体通过同一光电门的时间是t,则该物体通

2、过光电门的平均速度是多少？如果d很短，则d/t可以近似的看做什么速度？解析：平均速度v=d/t如果d很短，则d/t可以近似的看做瞬时速度。模式二：用两只光电门（相隔一定距离放置），用于测量一个物体（可看做质点）在两个光电门之间运动的时间。计时方式是物体通过第一只光电门时开始计时，通过下一只光电门时计时结束。【例2】已知甲乙两只光电门之间的距离是L,仪器显示某个滑块从光电门甲运动到光电门乙的时间是t,则滑块从光电门甲运动到光电门乙的平均速度是多少？解析：平均速度v= L /t、光电门的搭配应用光电门测速度和加速度d _1、光电门测瞬时速度的公式 -平均速度代替瞬时速度一一 v=一（前提：d很小）

3、【例3】 . :t2、光电门测加速度白常用公式一一v； -v2 =2aL1例3】【例3】为了测定气垫导轨上滑块运动的速度和加速度，在滑块上安装了宽度为0.30 cm的遮光板，如右图所示。滑块在牵引力作用下先后匀加速通过两个光电 门，配套的数字毫秒计记录了遮光板通过第一个光电门的时间为 A ti = 0.030 s,通过第二个光电门的时间为At2=0.010 So还测出了两个光电门之间的距离 L=0.6m。遮光板从开始遮住第一个光电 门到开始遮住第二个光电门的时间为At=3.0 s.试估算：（1）滑块先后通过两个光电门的瞬时速度有多大？ （2）滑块在两个光电门之间运动的加速度多大？ 解析：遮光板

4、宽度d较小，所以可用平均速度代替瞬时速度。（1）遮光板通过第一个光电门的速度d 0.003v1 = = = 0.10m/s1%0.030遮光板通过第一个光电门的速度0.0030.010=0.30m/s(2)由 v； v2 = 2aL 代入数据有 0.32 0.12 = 2 父 0.6a ,解得 a=0.067m/s2三、光电门和气垫导轨在力学典型实验中的综合应用光电门本身只能测量时间，和测量长度的工具搭配可以测量平均速度或瞬时速度(通常是估算值),也就能研究物体的运动情况，进而完成更多的力学物理实验了。下面是它的一些典型应用。1、在“研究匀变速直线运动实验”中的应用2、在“验证牛二定律实验”中

5、的应用3、在“验证动能定理实验”中的应用4、在“验证机械能守恒定律实验”中的应用1、在“研究匀变速直线运动实验”中的应用0.30 cm 的 b b【例1】为了测定气垫导轨上滑块的加速度，滑块上安装了宽度为 遮光板，如右图所示，滑块在牵引力作用下先后匀加速通过两个 光电门，配套的数字毫秒计记录了遮光板通过第一个光电门的时 间为At| = 0.030 s,通过第二个光电门的时间为 At2=0.010 s,遮 光板从开始遮住第一个光电门到开始遮住第二个光电门的时间为 At=3.0 s.试估算：(1)滑块的加速度多大？(2)两个光电门之间的距离是多少？解析：遮光板宽度d较小，所以可用平均速度代替瞬时速

6、度。(1)遮光板通过第一个光电门的速度=0.10m/sd 0.003V1 = 一 = ,L0.030遮光板通过第一个光电门的速度0.0030.010= 0.30m/s故滑块的加速度a =v2二v1 =0.067m/s2-t一 人 v1V2 .(2)两个光电门之间的距离 x = 12 2 At =0.6m【例2】(11年上海第26题)如图，为测量作匀加速直线运动小车的加速度，将宽度均为b的挡光片A、B固定在小车上，测得二者间距为do(1)当小车匀加速经过光电门时，测得两挡光片先后经过的时间八和 事2,则小车加速度 a =。(2)(多选题)为减小实验误差，可采取的方法是(A.增大两挡光片宽度B.减

7、小两挡光片宽度 bC.增大两挡光片间距D.减小两挡光片间距 d答案：(1)(2)B, C22、在“验证牛二定律实验”中的应用【例1】某学习小组用如图所示装置探究“加速度和力的关系”该小组已经测量了两个光电门间的距离为L,遮光条的宽度为d,遮光条通过两个光电门的时间分别为ti、t2,则：（1）小车的实际加速度可以表示为 .（用题中所给物理量表示）（2）改变所挂钩码的数量，多次重复测量.在某次实验中根据测得的多组数据可在坐标纸上画出a-F关系的点迹（如图所示）.经过分析，发现存在一些问题，产生的主要原因可能是（）A .轨道与水平方向夹角太大产田1）B.轨道保持了水平状态，没有平光电门2光电门1 流

8、光条.J*衡摩擦力C.所挂钩码的总质量太大，造成上部点迹有向下弯曲趋势D.所用小车的质量太大，造成上部点迹有向下弯曲趋势答案:(1)2L2L/ 、2 d IU1(2)B, C【例2】如图所示是某同学探究加速度与力的关系的实验装置他在气垫导轨上安装了 一个光电门B,在滑块上固定一遮光条，滑块用细线绕过气垫 导轨左端的定滑轮与力传感器相连（力传感器可测 得细线上的拉力大小），力传感器下方悬挂钩码， 每次滑块都从A处由静止释放.钩码气垫导轨%光电门遮光条（1）下列不必要的一项实验要求是 （请填写选项前应的字母 ）.A.应使A位置与光电门间的距离适当大些B.应将气垫导轨调节水平C.应使细线与气垫导轨平

9、行D.应使滑块质量远大于钩码和力传感器的总质量E.将气垫导轨的右侧适当垫高以平衡摩擦力（2）实验时，将滑块从 A位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门B的时间t,若要得到滑块的加速度，还需要测量的物理量是 .（3）为探究滑块的加速度与力的关系，改变钩码质量，测出对应的力传感器的示数F和遮光条通过光电门的时间t,通过描点要作出它们的线性关系图象，处理数据时纵轴为 F,横轴应为（填正确答案标号）.211A.t B.tC.-D.,答案（1）DE （2）滑块在A位置时遮光条到光电门的距离 （3）D3、在“验证动能定理实验”中的应用【例1】为了探究 省外力做功和动能变化的关系 ”的实验，某实验

10、小组使用如图所示的水平气垫导Gi、G2光电门轨装置进行实验.其中 G1、G2为两个光电门，它们与数字计时器相连，当滑行器通过时，光束被遮挡的时间分别为 t1、t2都可以被测量并记录， 滑行器连同上面固定的一条形挡光片的总质量为M,挡光片宽度为 D,两光电门间距离为 x,绳悬吊的祛码的质量为 m （m远小于M）,重力加速 , 度为g.滑行器从G1到G2的过程中增加的动能为 5,合力对滑行器做的功为o(ji(ji 14M.（用 tl、t2、D、x、M、m和g表示）1答案：Ek M(2D2D2-2t2t12）W=m g x【例2】与打点计时器一样,光电计时器也是一种研究物体运动情况的常用计时器,其结

11、构如图甲所示，a、b分别是光电门的激光发射和接收装置，当有物体从a、b间通过时，光电计时器可以显示物体的挡光时间.利用如图乙所示装置探究动能定理.图中AB是固定的光滑斜面，斜面的倾角为30 , 1和2是固定在斜面上适当位置的两个光电门，与它们连接的光电计时器都没有画出.让滑块从斜面的ft电H显示屏顶端滑下，光电门 1、2各自连接的光电计时器显示的挡光时间分别为5.00 X 10-2s、2.00 X 10-2s.已知滑块质量为2.00kg ,滑块沿斜面方向的长度为5.00cm,光电门1和32之间的距离为 0.60m, g=9.8m/s ,取滑块经过光电门时的平均速度为其瞬时速度.滑块通过光电门1

12、时的速度v产m/s,通过光电门 2时的速度V2=滑块通过光电门1、2之间的动能增加量为J ,重力做的功为结论:1.00m/s2.50 m/s5.255.88在误差允许的范围内，合外力做的功等于物体动能的改变量。4、在“验证机械能守恒定律实验”中的应用【例1】利用如图所示装置验证机械能守恒定律，图中 AB是固定的光滑斜面,斜面的倾角为30 , 1和2是固定在斜面上适当位置的两个光电门，与它们连接的光电计时器都没有画出.让滑块从斜面的世电n显示屏顶端滑下，光电门 1、2各自连接的光电计时器显示的挡光时间分别为5.00X10-2s、2.00 X 10-2s.已知滑块质量为2.00kg ,滑块沿斜面方向的长度为 5.00cm,光电门1和2之间的距离为0.54