鄔春桂+梁漢金

摘 要 光電開關(guān)（又稱光電門） 是一種光電耦合器件，它是由一個元件和光電接收元件組合而成的轉(zhuǎn)換器件。它的特點是小型、高速、非接觸，且容易與其他電路結(jié)合。本文首先介紹光電傳感器的基本原理，并對其特性進(jìn)行研究，通過示例來說明其在物理實驗中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 光電門 現(xiàn)代技術(shù) 傳感器 物理實驗

中圖分類號：G427 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

在現(xiàn)代技術(shù)中，傳感器是指一些能夠感受力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)換為電路通斷的元器件。非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量以后，可以很方便地進(jìn)行測量、傳輸、處理和控制。傳感器在生活、生產(chǎn)和科技領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。

光電開關(guān)（又稱光電門） 是一種光電耦合器件，它是由一個元件（如發(fā)光二極管） 和光電接收元件組合而成的轉(zhuǎn)換器件。光電開關(guān)的發(fā)光和接收元件都封裝在一個金屬或塑料外殼內(nèi)，它的發(fā)光元件和接收元件的光軸是重合的。當(dāng)不透明物體經(jīng)過它們之間時，會阻斷光路，使接收元件接收不到來自發(fā)光元件的光，起到控制作用。光電開關(guān)的特點是小型、高速、非接觸，且容易與其他電路結(jié)合。

高考大綱中對傳感器內(nèi)容要求是簡單的應(yīng)用，特別光電傳感器是近年高考實驗題的新動態(tài)，07年廣東卷、09年全國卷均有涉及，所以要引起重視。

1光電門在測量速度實驗中的應(yīng)用

光電開關(guān)用于氣墊導(dǎo)軌上測量速度的原理如下： 氣墊導(dǎo)軌上裝有如圖1 所示的擋光片，未擋光時光電門接收器輸出為低電位，滑塊經(jīng)過光電門時，由于接收器被擋光片擋光，其輸出為高電位，當(dāng)滑塊在氣墊導(dǎo)軌上做勻速運動時，接收器的輸出波形如圖1所示。輸出脈沖的寬度可以測量出來，從而可以利用距離和時間的關(guān)系：V=s/t計算滑塊運動物體經(jīng)過光電門時的瞬時速度（實際是以平均速度代替瞬時速度）。

【例1】光電計時器是一種研究物體運動情況的常用計時儀器，其結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，a、b分別是光電門的激光發(fā)射和接收裝置，當(dāng)有物體從a、b間通過時，光電計時器就可以精確地把物體從開始擋光到擋光結(jié)束的時間記錄下來?，F(xiàn)利用圖（b）所示的裝置測量滑塊和長木板間的動摩擦因數(shù)，圖中MN是水平桌面，Q是長木板與桌面的接觸點，1和2是固定在長木板上適當(dāng)位置的兩個光電門，與之連接的兩個光電計時器沒有畫出，長木板頂端P點懸有一鉛錘，實驗時，讓滑塊從長木板的頂端滑下，光電門1、2各自連接的計時器顯示的擋光時間分別為1.0€？0-2 s和4.0€？0-3s.用精度為0.05 mm的游標(biāo)卡尺測量滑塊的寬度為d，其示數(shù)如圖（c）所示。

（1）滑塊的寬度d= ____cm.

（2）滑塊通過光電門1時的速度v1=____ m/s，滑塊通過光電門2時的速度v2=_____m/s.（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）

（3）由此測得的瞬時速度v1和v2只是一個近似值，它們實質(zhì)上是通過光電門1和2時的____，要使瞬時速度的測量值更接近于真實值，可將____的寬度減小一些。

2光電門在測量重力加速度實驗中的應(yīng)用。

由勻變速直線運動規(guī)律=2aS，可得a=（）/2S，本實驗采用光電門傳感器來測量重力加速度，當(dāng)U形擋光片前端擋光時，傳感器記錄下?lián)豕鈺r間t1，擋光片后端擋光時，傳感器記錄下?lián)豕鈺r間t2。由于t1 和t2很小，因此用擋光片寬度d除以兩次擋光時間所得值可認(rèn)為是擋光片前后端經(jīng)過光電門時的瞬時速度，即可根據(jù)光電門讀數(shù)求出U形擋光片經(jīng)過光電門時的初速度V0和末速度Vt ，這樣，只要量出U形擋光片兩前沿距離S和擋光片寬度d，就可以代入公a=（）/2S式求出當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭 。

【例2】某實驗小組利用如圖4所示的氣墊導(dǎo)軌實驗裝置來探究當(dāng)合外力一定時，物體運動的加速度與其質(zhì)量之間的關(guān)系。

3光電門在驗證牛頓定律實驗中的應(yīng)用。

在氣墊導(dǎo)軌上放兩個相同的滑塊，在離兩滑塊相同距離的兩個位置分別固定兩個光電門，用一根短細(xì)線連接兩滑塊，在中間夾一個壓縮了的彈簧，用手按住它們靜止在氣墊導(dǎo)軌上?，F(xiàn)燒斷連接滑塊的細(xì)繩，兩滑塊同時向兩邊運動。通過數(shù)字計時器測量兩滑塊分別經(jīng)過兩個光電門時的瞬時速度幾乎相等，由此推理兩滑塊受力相等，得出作用力和反作用力大小相等，從而得牛頓第三定律。

4光電門在驗證動量（能量）守恒定律實驗中的應(yīng)用

在氣墊導(dǎo)軌的兩個位置上分別固定兩個光電門，然后將兩個質(zhì)量不相同的滑塊放在導(dǎo)軌上?，F(xiàn)同時給兩個滑塊一個初速度，讀出分別經(jīng)過光電門的瞬時速度。當(dāng)兩個滑塊碰撞后再次經(jīng)過光電門時，又讀出分別的瞬時速度。將測得的速度和兩個滑塊的質(zhì)量帶進(jìn)動量守恒定律的表達(dá)式m1v1+m2v2=m1v'1+m2v'2，看等號是否成立，從而驗證了動量守恒定律。

光電計時器是一種研究物體運動情況的常用計時儀器，在力學(xué)實驗中應(yīng)用很廣泛，特別在測量速度、加速度、驗證牛頓定律、動量（能量）守恒定律等實驗中。在這些物理實驗中，他們基本原理都是一樣，首先利用光電門測量速度，然后求其他物理量或驗證其他守恒定律。

參考文獻(xiàn)

[1] 欒貴東.傳感器及其應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)，2002.

[2] 楊黎明.傳感器檢測技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.endprint