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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
二、光电门的搭配应用―――――光电门测速度和加速度
1、光电门测瞬时速度的公式平均速度代替瞬时速度――(前提:d很小)【例3】
2、光电门测加速度的常用公式――【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0.30cm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Δt1=0.030s,通过第二个光电门的时间为Δt2=0.010s。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Δt=3.0s.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
遮光板通过第一个光电门的速度
(2)由代入数据有,
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
【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0.30cm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Δt1=0.030s,通过第二个光电门的时间为Δt2=0.010s,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Δt=3.0s.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度。
(1)遮光板通过第一个光电门的速度
遮光板通过第一个光电门的速度
故滑块的加速度
(2)两个光电门之间的距离
【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d。
(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和,则小车加速度。
(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.减小两挡光片宽度
C.增大两挡光片间距D.减小两挡光片间距
答案:(1)
(2)B,C
2、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t1、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
B.轨道保持了水平状态,没有平衡摩擦力
C.所挂钩
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