20190111中学物理实验器材之光电门及其应用.doc
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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)
(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.
(1)下列不必要的一项实验要求是 (请填写选项前对应的字母).
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).
A.tB.t2C.D.
[答案]
(1)DE
(2)滑块在A位置时遮光条到光电门的距离 (3)D
3、在“验证动能定理实验”中的应用
【例1】为了探究“合外力做功和动能变化的关系”的实验,某实验小组使用如图所示的水平气垫导轨装置进行实验.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G1、G2光电门时,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,绳悬吊的砝码的质量为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__________________,合力对滑行器做的功为______________.(用t1、t2、D、x、M、m和g表示)
答案:
W=mgx
【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5.00×10-2s、2.00×10-2s.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0.60m,g=9.8m/s3,取滑块经过光电门时的平均速度为其瞬时速度.
(1)滑块通过光电门1时的速度v1=________m/s,通过光电门2时的速度v2=_________m/s.
(2)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___________J.
(3)结论:
______________________________.
(1)1.00m/s2.50m/s
(2)5.255.88
(3)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5.00×10-2s、2.00×10-2s.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0.54m,g=9.8m/s3,取滑块经过光电门时的平均速度为其瞬时速度.
(1)滑块通过光电门1时的速度v1=________m/s,通过光电门2时的速度v2=_________m/s.
(2)滑块通过光电门1、2之间的动能增加量为________J,重力势能的减少量为___________J.
(3)结论:
_______________________________.
(1)1.00m/s2.50m/s
(2)5.255.29
(3)在误差允许的范围内,系统动能的增加量等于重力势能的减少量,即系统机械能守恒。
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- 20190111 中学物理 实验 器材 电门 及其 应用