光電傳感器在物理實驗中的應用例析

鄔春桂+梁漢金

摘 要 光電開關（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換器件。它的特點是小型、高速、非接觸，且容易與其他電路結合。本文首先介紹光電傳感器的基本原理，并對其特性進行研究，通過示例來說明其在物理實驗中的應用。

關鍵詞 光電門 現代技術 傳感器 物理實驗

中圖分類號：G427 文獻標識碼：A

在現代技術中，傳感器是指一些能夠感受力、溫度、光、聲、化學成分等非電學量，并能把它們按照一定的規律轉換為電壓等電學量，或轉換為電路通斷的元器件。非電學量轉換為電學量以后，可以很方便地進行測量、傳輸、處理和控制。傳感器在生活、生產和科技領域有著非常廣泛的應用。

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

高考大綱中對傳感器內容要求是簡單的應用，特別光電傳感器是近年高考實驗題的新動態，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用

光電開關用于氣墊導軌上測量速度的原理如下： 氣墊導軌上裝有如圖1 所示的擋光片，未擋光時光電門接收器輸出為低電位，滑塊經過光電門時，由于接收器被擋光片擋光，其輸出為高電位，當滑塊在氣墊導軌上做勻速運動時，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系：V=s/t計算滑塊運動物體經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，其結構如圖2（a）所示，a、b分別是光電門的激光發射和接收裝置，當有物體從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束的時間記錄下來。現利用圖（b）所示的裝置測量滑塊和長木板間的動摩擦因數，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的游標卡尺測量滑塊的寬度為d，其示數如圖（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.（結果保留兩位有效數字）

（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用。

由勻變速直線運動規律=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U形擋光片前端擋光時，傳感器記錄下擋光時間t1，擋光片后端擋光時，傳感器記錄下擋光時間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為是擋光片前后端經過光電門時的瞬時速度，即可根據光電門讀數求出U形擋光片經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式求出當地的重力加速度g 。

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

3光電門在驗證牛頓定律實驗中的應用。

在氣墊導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軌上。現燒斷連接滑塊的細繩，兩滑塊同時向兩邊運動。通過數字計時器測量兩滑塊分別經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用

在氣墊導軌的兩個位置上分別固定兩個光電門，然后將兩個質量不相同的滑塊放在導軌上。現同時給兩個滑塊一個初速度，讀出分別經過光電門的瞬時速度。當兩個滑塊碰撞后再次經過光電門時，又讀出分別的瞬時速度。將測得的速度和兩個滑塊的質量帶進動量守恒定律的表達式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，在力學實驗中應用很廣泛，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

[1] 欒貴東.傳感器及其應用[M].西安：西安電子科技大學，2002.

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