光电门测速度加速度

实验一：研究匀变速直线运动，测定匀变速直线运动的加速度（含练习使用打点计时器） 实验原理1．打点计时器是一种使用交流电源的计时仪器，它每隔0.02s 打一次点（由于电源频率是50Hz ），纸带上的点表示的是与纸带相连的运动物体在不同时刻的位置，研究纸带上点之间的间隔，就可以了解物体运动的情况。

2．由纸带判断物体做匀变速直线运动的方法：如图所示，0、1、2……为时间间隔相等的各计数点，s 1、s 2、s 3、……为相邻两计数点间的距离，若2132........s s s s s ∆=-=-==恒量，即若连续相等的时间间隔内的位移之差为恒量，则与纸带相连的物体的运动为匀变速直线运动。

右图为打点计时器打下的纸带。

选点迹清楚的一条，舍掉开始比较密集的点迹，从便于测量的地方取一个开始点O ，然后（每隔5个间隔点）取一个计数点A 、B 、C 、D …。

测出相邻计数点间的距离s 1、s 2、s 3 … 利用打下的纸带可以：求任一计数点对应的即时速度v ：2Ts s 1)(n n ++==v v n ；如Ts s v c 232+=(其中T=5×0.02s=0.1s ） 3．由纸带求物体运动加速度的方法： (1)利用上图中任意相邻的两段位移求a ：如223T s s a -= (2)用“逐差法”求加速度：即根据2415263s 3s s s s s aT -=-=-=（T为相邻两计数点间的时间间隔）求⇒++=⇒===3a a a a 3T s -s a ;3T s -s a ;3T s -s a 321236322522141()()23216549T s s s s s s a ++-++=再算出a 1、a 2、a 3的平均值即为物体运动的加速度。

(3)用v-t 图法：即先根据2Ts s 1)(n n ++=nv ；求出打第n 点时纸带的瞬时速度，再求出A 、B 、C 、D 、E 、F 各点的即时速度，画出如图的v-t 图线，图线的斜率即为物体运动的加速度。

1. 一个小车从静止开始沿直线运动，在光电门A经过时刻t1 = 2 s，光电门B经过时刻t2 = 4 s。

求小车在这段时间内的平均加速度。

2. 一个物体以匀加速度a = 2 m/s²沿直线运动，经过一个光电门的时间间隔为Δt = 0.5 s。

求物体通过光电门时的速度。

3. 一个物体以初速度v0 = 10 m/s经过一个光电门，通过后的时间为t = 2 s。

求物体的加速度。

4. 一个小球自由下落，通过两个相距为d = 5 m的光电门的时间间隔为Δt = 1 s。

求小球的加速度。

5. 一个小车以加速度a = 3 m/s²做匀加速直线运动，经过一个光电门的时间间隔为Δt = 0.5 s。

求小车通过光电门时的速度。

6. 一个物体以初速度v0 = 15 m/s通过一个光电门，通过后的时间为t = 3 s。

求物体的加速度。

7. 一个自行车从静止开始加速，通过两个相距为d = 10 m的光电门的时间间隔为Δt = 2 s。

求自行车的平均加速度。

8. 一个小球自由下落，经过两个相距为d = 5 m的光电门的时间间隔为Δt = 0.5 s。

求小球通过第一个光电门时的速度。

9. 一个小车以匀加速度a = 2 m/s²做直线运动，通过两个相距为d = 20 m的光电门的时间间隔为Δt = 4 s。

求小车的初速度。

10. 一个物体以初速度v0 = 8 m/s通过两个相距为d = 15 m的光电门，通过后的时间为t = 3 s。

求物体的加速度。

11. 一个小车从静止开始沿直线运动，通过两个相距为d = 10 m的光电门的时间间隔为Δt = 1 s。

求小车的平均加速度。

12. 一个物体以匀加速度a = 5 m/s²做直线运动，通过一个光电门的时间间隔为Δt = 0.2 s。

求物体通过光电门时的速度。

13. 一个物体以初速度v0 = 12 m/s通过一个光电门，通过后的时间为t = 2.5 s。

测试技术应用案例光电门测速度和加速度班级: 机1301-1学号: ********姓名: **光电门测速度和加速度一、测试物理量及测试方法测试物理量：速度和加速度测试方法及测试目的：用气垫导轨和存储式计时计数测速仪测量速度和加速度。

通过对速度和加速度的测量，熟悉光电门传感器的使用二、测试方案（1）实验方案：1、检查光电门，使存储式数字毫秒计处于正常工作状态，给气垫导轨通气。

2、导轨水平调整。

由于斜面高度h 是相对于水平面而言，因此测量前首先应把导轨调整水平。

水平调整分二步完成（1）粗调。

在导轨中注入压缩空气，在形成气垫后，将滑块放在导轨中部，利用观察滑块的运动方向来判断导轨的倾斜方向。

调整导轨支座独脚螺丝，使滑块在导轨上基本稳定。

（2）利用计时器进行细调。

如果导轨水平，那么滑块经推动后滑过P1和P2两点的速度应相同，也就要求1t ∆与2t ∆相等。

但考虑到空气阻力的影响，即使导轨真是水平了，那么在滑块从P1向P2运动时，应使P2处的速度2V 略小于P1处的速度1V （或者讲2t ∆略大于1t ∆），且满足%20112<∆∆-∆<t t t 。

同理，也要求滑块经碰撞后弹回来经过P1、P2时，1V '略小于2V '，即'1t ∆略大于'2t ∆，且满足%20'1'2'1<∆∆-∆<t t t 。

达到上述水平调整要求后，再重复做5次，记录5组数据（每组包括1t ∆、2t ∆、2t '∆和1t '∆），以此来证实导轨已处于水平状态。

3、观察滑块的匀速直线运动轻轻推动滑块，观察滑块在气轨上的运动，滑块和气轨两端的缓冲弹簧的碰撞情况。

分别记下滑块经过两个光电门时的速度1V 和2V ，试比较1V 和2V 的数值，若1V 和2V 之间的差别小于1V （或2V ）的%1时，则导轨接近水平，此时可近似认为滑块作匀速直线运动；若1V 和2V 相差较大，可通过调节导轨底座螺钉使导轨水平。

速度.所取的时间间隔越接近,该点计算出的瞬时速度就越精确。

例1.在用打点计时器测定手拉动纸带的瞬时速度实验中，得到如图所示的纸带，图中A，B，C，D，E为测量点，相邻测量点之间还有4个点未画出，打点计时器交流电频率是50赫兹，求：
V B=，V C=，V D=三点的瞬时速度．
二、光电门
当物体通过光电门时光被挡住，计时器开始计时，当物体离开时停止计时，这样就可以根据物体大小与运动时间计算物体运动的速度；若计时装置具备运算功能，使用随机配置的挡光片（宽度一定），可以直接测量物体的瞬时速度。

如何测定有关的动力学参数测定有关的动力学参数是评估物体运动行为的重要方法之一、这些参数可以帮助我们了解物体的速度、加速度、力的大小和方向等信息，从而更好地理解物理过程。

以下是一些常见的测量动力学参数的方法。

1.速度：速度是物体在单位时间内移动的距离，通常用速度矢量来表示。

在实验室中，可以使用以下方法测量速度：a.移动距离法：通过测量物体在一段时间内移动的距离来计算速度。

这可以通过使用测量尺来直接测量物体的位移来实现。

b.光电门法：将光电门放置在物体的运动轨迹上，通过计算信号的出现和消失时间来测量速度。

c.高速摄像机法：使用高速摄像机来记录物体在不同时间点的位置，通过计算物体在单位时间内的位移来得到速度。

2.加速度：加速度是速度的变化率，也是一个矢量量。

测量加速度的方法如下所示：a.索引法：通过在物体上安装加速度计或力传感器来测量物体受到的力。

根据牛顿第二定律，加速度与物体受到的力成正比。

b.运动学法：通过测量物体在不同时间点的速度，然后用速度变化量除以时间得到加速度。

这可以通过测速计、测量器等设备来实现。

c.动态测力台：将物体放在测力台上，通过测量力传感器记录物体受到的力，并根据力的变化来计算加速度。

3.力的大小和方向：力是动力学的核心概念之一，了解物体受到的力和力的方向对于研究物体运动行为至关重要。

以下是一些测定力的大小和方向的方法：a.弹簧测量法：使用弹簧测力计或拉力计来测量物体受到的拉力或压力。

根据胡克定律，拉力与弹簧伸长量成正比，压力与弹簧压缩量成正比。

b.力传感器法：使用力传感器来测量物体受到的力，力传感器通常使用压电效应、电阻应变效应等原理。

力传感器可以记录力的大小和方向。

c.力板法：将物体放置在力板上，力板可以测量物体对其施加的压力。

根据牛顿第三定律，物体对力板施加的压力和力板对物体施加的力大小相等、方向相反。

测定有关的动力学参数需要使用适当的仪器和实验装置。

在实验过程中，需要注意数据的准确性和重复性，以及实验条件的控制和调节。

2021年3月1日理科考试研究•综合版• 41 •D.在相等时间内，C卫星与地心连线扫过的面积 是M卫星的f倍解析C卫星相对地球静止，为地球同步卫星，轨道平面位于赤道平面.卫星绕地球做匀速圆周运动,万有引力提供向心力，即= 解得线速r厂度为i= 卫星轨道半径为C卫星的I，则C y v3卫星的线速度是M卫星的根据开普勒定律可知，同一卫星与地心连线在相等的时间内扫过相等的面 积，不同的卫星不适合此规律.根据几何关系可知，时间《内，卫星与地心连线扫过的面积已知M 卫星轨道半径为C卫星的卫星的线速度是M卫 星的则在相等时间内，C卫星与地心连线扫过的面积是M卫星的f倍.综上可知D选项正确.命题意图本题以北斗导航系统为情境，考查学 生对万有引力定律的应用，主要考查理解能力、推理 论证能力、模型建构能力，体现了物理观念、科学思维 的学科素养，突出对应用性和创新性的考查.中国北 斗导航系统的投人使用，增强了学生的爱国主义，增 强了“四个自信练习6 2020年我国全面进入5G时代.所谓5G是指第五代通信技术，采用3300 ~ 5000M H z频段的无线电波.现行的第四代移动通信技术频段范围1880 ~2635M H z.未来5G网络的传输速率(指单位时间传送数据量大小)可达l〇Gbps(bp s即比特率、比特每秒），是4G网络的50倍至100倍.下列说法正确的是（）.A. 4G和5G信号都是纵波B.4G信号更容易发生衍射现象C. 4G信号和5G信号相遇时能产生稳定干涉现象D.5G信号比4G信号在真空中传播的速度快分析电磁波均为横波，故A项错误;因5G信号的频率高，则波长小，故4G信号更容易发生明显衍射现象，B正确；两种不同频率的波相遇，不会发生稳定干涉现象，C错误;任何电磁波在真空中传播都是光速，D错误.参考文献：[1] 顾建新.增强实践体验发展核心素养—以“近三 年浙江新高考试题”为例[■!].物理教学，2020,42 (12):56-60.[2] 于玉和，方友浩.指向发展学生核心素养的物理试题 编制策略——以“医用口罩题材”为例[J].中学物理,2020,38 (24) ：43 -45.[3] 杨磊.注重物理实验教学培养学生的物理核心素养[J].中学物理，2020,38(22):丨3 -15.(收稿日期：2020 -丨2-28)影响光电门测連精确性的三个因素分析—以一道原创实验题误差反思为例刘安巍(重庆第三十中学校重庆渝中4〇〇〇1〇)摘要：对一道原创实验题误差反思后发现，光电门所测得的瞬时速度为位移中点的瞬时速度，并非中间时刻‘的瞬 时速度.要减小实验误差，必须找到影响中间时刻瞬时速度和位移中点瞬时速度接近的因素.通过物理建模、数学推演，最终得出结论:物体到达光电门的初速度、物体在光电门所在平面运动的加速度、滑块（遮光条）自身的宽度等因素对 光电门测速的精确性影响较大.关键词：实验;误差；光电门测速；精确性光电门测速是研究匀变速直线运动规律中常用 常重要的作用，但该实验的误差分析具有较大争论.的一种方法，该实验在物理教学以及高考中都具有非 例如:用光电门测定匀变速直线运动实验u];用光电作者简介：刘安巍（1992 -),男，甘肃康县人，硕士研究生，中学二级教师，研究方向：中学物理学科教学..42 .理科考试研究•综合版2021年3月1日门测量“动能增加量”及“加速度”的实验[2];利用光 电门验证机械能守恒定律实验[3]等.某次考试中，笔 者命制的一道有关光电门测速的试题引发了学生的 思考，通过数学推理的方式进行了全面的分析，最终 得出了确切的结论.1题目呈现如图1所示，小明利用平面平滑连接F C 曲面 的装置探究滑块与地面间的摩擦因数.小明从高为A 的4点无初速度释放滑块，滑块运动到水平地面依次经过光电门1和光电门2,光电门之间的距离可用刻 度尺测得，电子计时器可以记录滑块通过光电门所用 的时间，当地重力加速度为g =10m A 2.(1) 实验前，小明用游标卡尺测出了滑块的宽，示数如图1所7K ，滑块宽d =______m .(2)小明要确保该实验顺利进行，下列操作符合事实的是（)•A. 游标卡尺测滑块宽度，要确保精确可采用分度 值较高的油标尺B. 小明计算小球经过光电门的速度实质是采用平均速度代替瞬时速度C . 滑块从曲面下滑的初始高度不会影响探究结果D. 滑块宽度会影响小明测量摩擦因数的大小(3) 滑块从曲面滑下，依次通过光电门1和光电 门2的时间分别为=0. 01s 和=0. 02s ，两光电门间的距离用图甲所示的刻度尺量出，则小明所计算出滑块与地面间的摩擦因数M =_____.(保留小数点后两位）答案:（1)〇.9 x lO -2 (2)ABD (3)0.34试题选材试题选材来源于人教版高中物理必修一第一章“科学漫步”栏目：气垫导轨和数字计时 器.聚焦物理课本.主要考点游标卡尺、特殊刻度尺的读法；瞬时速度的计算，实验误差的分析;运动学公式、滑动摩擦 力公式的应用.命题立意该题考查光电门的基础应用，内容简单，但聚焦能力.考查学生运用旧知识解决新问题;应用数学解决物理问题的能力；实验设计及误差分析以 及基本操作等能力.疑问点:本题第(2)小问C 选项小球下滑的初始高 度究竟会不会影响探究结果？有无证据？在本题作答 的时候产生了这样的疑问，随后进行了下述探讨.2光电门测量瞬时速度的实质光电门测量瞬时速度的实质是什么？图2是滑 块经过光电门的过程图.a 是滑块即将接触到光电门 (光电门用图中黑色点红外光代替），即将开始计时 是物块恰好到达光电门.c 是表示滑块通过了光电门， 位移恰好等于滑块宽度.滑块在整个过程中摩擦力恒 定，所以做匀减速直线运动，默认平均速度代替瞬时速度，即经过光电门的速度为在计算经过光电门1与光电门2的位移时，测量的是光电门之间的距离(光电门很小，可认为是光电门两点之间的距离），这就表明平常实验时,光电门的速度^其实是滑块通过单个光电门位移中点（遮光条中点）的瞬时速度如6所示.但我们应该清楚，位移中点的瞬时速度和中间 时刻的瞬时速度有区别，这是产生误差的根本原因，如果能够有效地让中间时刻的瞬时速度接近位移中点的瞬时速度，最终结果就会更准确.3推导影响中间时刻瞬时速度接近位移中点瞬时速度的因素建立如图3所示运动模型，研究通过一个光电 门，设宽为d 的滑块运动至水平面到达光电门的初速度为〃。

测试技术应用案例光电门测速度和加速度班级: 机1301-1学号: 20130767姓名:**光电门测速度和加速度一、测试物理量及测试方法测试物理量：速度和加速度测试方法及测试目的：用气垫导轨和存储式计时计数测速仪测量速度和加速度。

通过对速度和加速度的测量，熟悉光电门传感器的使用二、测试方案（1）实验方案：1、检查光电门，使存储式数字毫秒计处于正常工作状态，给气垫导轨通气。

2、导轨水平调整。

由于斜面高度是相对于水平面而言，因此测量前首先应把导轨调整水平。

水平调整分二步完成（1）粗调。

在导轨中注入压缩空气，在形成气垫后，将滑块放在导轨中部，利用观察滑块的运动方向来判断导轨的倾斜方向。

调整导轨支座独脚螺丝，使滑块在导轨上基本稳定。

（2）利用计时器进行细调。

如果导轨水平，那么滑块经推动后滑过P1和P2两点的速度应相同，也就要求与相等。

但考虑到空气阻力的影响，即使导轨真是水平了，那么在滑块从P1向P2运动时，应使P2处的速度略小于P1处的速度（或者讲略大于），且满足。

同理，也要求滑块经碰撞后弹回来经过P1、P2时，略小于，即略大于，且满足。

达到上述水平调整要求后，再重复做5次，记录5组数据（每组包括、、和），以此来证实导轨已处于水平状态。

3、观察滑块的匀速直线运动轻轻推动滑块，观察滑块在气轨上的运动，滑块和气轨两端的缓冲弹簧的碰撞情况。

分别记下滑块经过两个光电门时的速度和，试比较和的数值，若和之间的差别小于（或）的时，则导轨接近水平，此时可近似认为滑块作匀速直线运动；若和相差较大，可通过调节导轨底座螺钉使导轨水平。

4、测量滑块的瞬时速度（1）在倾斜导轨上任一位置处放置一光电门；（2）使滑块从导轨最高处（或某一固定位置）自由下滑，由测速仪测出滑块经过光电门的速度，至少反复五次，取平均值，将数据填入表3-1；（3）改变滑块的初始位置，再自由释放，然后重复步骤（2）。

5、测量滑块的加速度（1）在倾斜气轨上任意两个位置处放置两个光电门；（2）使滑块从导轨最高处（或某一固定位置）自由下滑，由测速仪测出滑块在两个光电门之间的加速度，至少重复五次，取平均值，将数据填入表3-2；（3）改变滑块的初始位置，再自由释放，然后重复步骤（2）。

自由落体实验仪光电门使用方法随着科学技术的不断发展，物理实验仪器也越来越多样化和先进化。

自由落体实验仪作为物理实验中的一种常见仪器，其使用方法对于学生和科研人员来说至关重要。

而光电门作为自由落体实验仪中的核心部件之一，其正确使用对实验结果的准确性起到关键性作用。

本文将介绍自由落体实验仪光电门的使用方法，以便读者能够更好地进行自由落体实验，并取得准确的实验数据。

一、光电门的基本原理光电门是利用光电效应测量物体运动速度的仪器。

其基本原理是利用光电传感器发出的光束，当有物体进入光束时，光线被阻隔，传感器就会产生信号，从而记录下物体的通过时间和位置。

光电门在实验中起到了非常关键的作用。

二、光电门的组成光电门通常由发射器和接收器两部分组成。

发射器通过发射光线，而接收器则接收光线，当有物体进入光线时，接收器将停止接收光线，从而产生信号。

这两部分需要放置在实验装置的指定位置，并保持稳定不动，以确保实验的精准性。

三、光电门的使用注意事项1.组装调试时，应根据仪器的使用说明书进行组装，避免出现错误操作而影响实验结果的准确性。

2.光电门的发射器和接收器应该保持清洁，确保光线的正常传输，避免灰尘或污渍的影响。

3.在进行实验之前，需要对光电门进行预热和校准，确保其工作正常。

4.实验中，应该保持实验装置的稳定，避免光电门被不必要的震动或移动影响实验结果。

四、光电门的使用方法1. 简单自由落体实验中的光电门使用方法（1）首先将光电门的发射器和接收器固定在实验装置的上方和下方，保持平行放置，以确保物体通过时能够准确记录时间和位置。

（2）确认光电门已连接电源，并处于工作状态，灯光亮度适中。

（3）将实验物体放置在光电门的上方，释放后物体下落时通过光电门，光电门则会记录物体通过的时间和位置。

（4）通过记录多次实验数据，计算出物体下落的平均速度和加速度等数据，从而完成自由落体实验。

2. 复杂自由落体实验中的光电门使用方法在一些复杂的自由落体实验中，可能需要多个光电门进行测量，比如同时测量物体通过上、下两个光电门的时间差，从而得出更为精确的实验数据。

大学物理实验报告-速度、加速度的测定和牛顿运动定律的验证中国石油大学,华东,现代远程教育实验报告课程名称:大学物理(一)实验名称:速度、加速度的测定和牛顿运动定律的验证实验形式:在线模拟+现场实践提交形式:提交书面实验报告学生姓名: 学号: 年级专业层次: 学习中心:提交时间: 年月日一、实验目的1(了解气垫导轨的构造和性能，熟悉气垫导轨的调节和使用方法。

2(了解光电计时系统的基本工作原理，学会用光电计时系统测量短暂时间的方法。

3(掌握在气垫导轨上测定速度、加速度的原理和方法。

4(从实验上验证F=ma的关系式，加深对牛顿第二定律的理解。

5(掌握验证物理规律的基本实验方法。

二、实验原理1(速度的测量一个作直线运动的物体，如果在t~t+Δt时间内通过的位移为Δx(x~x+Δx)，则该物体在Δt时间内的平均速度为，Δt越小，平均速度就越接近于t时刻的实际速度。

当Δt?0时，平均速度的极限值就是t时刻(或x位置)的瞬时速度(1)实际测量中，计时装置不可能记下Δt?0的时间来，因而直接用式(1)测量某点的速度就难以实现。

但在一定误差范围内，只要取很小的位移Δx，测量对应时间间隔Δt，就可以用平均速度近似代替t时刻到达x点的瞬时速度。

本实验中取Δx为定值(约10mm)，用光电计时系统测出通过Δx所需的极短时间Δt，较好地解决了瞬时速度的测量问题。

2(加速度的测量在气垫导轨上相距一定距离S的两个位置处各放置一个光电门，分别测出滑块经过这两个位置时的速度v1和v2。

对于匀加速直线运动问题，通过加速度、速度、位移及运动时间之间的关系，就可以实现加速度a的测量。

(1)由测量加速度在气垫导轨上滑块运动经过相隔一定距离的两个光电门时的速度分别为v1和v2，经过两个光电门之间的时间为t21，则加速度a为(2)根据式(2)即可计算出滑块的加速度。

(2)由测量加速度设v1和v2为滑块经过两个光电门的速度，S是两个光电门之间距离，则加速度a为(3)根据式(3)也可以计算出作匀加速直线运动滑块的加速度。

1 实验目的1）学会使用气垫导轨和数字毫秒计。

2）掌握测量速度和加速度。

3）观测、验证简谐振动的运动规律。

2 实验仪器气垫导轨、滑块，数字毫秒计，弹簧。

3 实验原理3.1速度和加速度的测量物体作直线运动时，如果在△t 时间间隔内，通过的位移为△x ，则物体在△t 的时间间隔内的平均速度V 为：txV ∆∆=（1） 当△t 趋近于零时，平均速度的极限值就是该时刻（或是该位置）的瞬时速度。

当滑块在气垫导轨上运动时，通过测量滑块上的档光板经过光电门的档光时间△t 和测量档光板的宽度△x （见图2-1）。

即可求出滑块在△t 时间内的平均速度v 。

由于档光板宽度比较窄，可以把平均速度近似地看成滑块通过光电门的瞬时速度。

档光板愈窄，相应的△t 就愈小，平均速度就更为准确地反映滑块在经过光电门位置时的瞬时速度。

在水平的气轨上的滑块，如果受到水平方向的恒力作 用，则滑块在气轨上作匀加速度运动，分别测量滑块通过 两个光电门时的初速度V 1和末速度V 2，并测出两个光电门的间距S ，则滑块的加速度a 为：SV V a 22122-= (2) 在水平的气轨的倾斜度调节螺丝下面，垫进垫块。

图 2-1 挡光板 如图2-2所示，使导轨倾斜，滑块在斜面上所受的合力为mgSin α 是一个常量，因此，滑块作加速度直线运动，即：Lhg gSin a ⋅==α （3） 式中L 为导轨地脚螺丝间的距离，h 为垫块的厚度。

由（2）（3）两式可得：hsLV V g 2)(2122-= （4）图2-2 气垫导轨示意图4 实验内容及步骤4.1.1接通数字毫秒计1）将数字毫秒计开关打开，显示屏上显示“P ”，表示数字毫秒计处于待测状态。

2）将输入选择键置于白炽灯，光电门上的小灯珠亮。

3）将功能/修改键置于P 1。

4）将时标/预置键置于0.1ms ( 即显示屏上的左边第1位)。

5）用铅笔杆对任一光电门作短暂挡光，毫秒计开始计时，显示屏上左边第1位出现“一”杆，若再档一下光，毫秒计就显示数据，表示毫秒计光电系统正常工作。