方法03 光电门（光电传感器）类装置的原理及分析（方法总结+练习巩固）--【实验攻略】备战2024年高考物理实验方法大全

方法03 光电门（光电传感器）类装置的原理及分析 高考实验创新分析：利用光电门（或光电传感器）类装置实验测物体的瞬时速度，涉及瞬时速度求解的实验包括：探究小车速度随时间的变化规律；探究加速度与力和质量的关系；探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系；探究功与速度变化的变化关系；验证机械能守恒定律；验证动量守恒定律 实验1：测滑块的加速度 涉及到的实验：探究小车速度随时间的变化规律；探究加速度与力和质量的关系； 【问题情景】 设：遮光条（或遮光板）的宽度为d，两光电门间的距离为L，滑块通过光电门1，遮挡时间为，滑块通过光电门2的遮挡时间为，滑块经过光电门1的速度为，经过光电门2的速度为，滑块从第1次遮挡到第2次遮挡的时间为，如图所示 【测速原理】 用遮光板通过光电门的平均速度代替滑块通过光电门的瞬时速度，则： 误差分析：匀加速运动中，一段位移的平均速度小于中间位移的瞬时速度，光电门测速用平均速度代替中间位移的瞬时速度，速度偏小 方法1：由得， 方法2：由得， 实验2：测小球的加速度 涉及到的实验有：探究加速度与力和质量的关系、探究功与速度的变化关系、验证机械能守恒定律 【问题情景】 设：小球的直径为d，小球中心到光电门的高度为h，小球由静止释放，通过光电门的时间为t，小球通过光电门的速度为v 【测速原理】 用遮光板通过光电门的平均速度代替滑块通过光电门的瞬时速度，则： 误差分析：匀加速运动中，一段位移的平均速度小于中间位移的瞬时速度，光电门测速用平均速度代替中间位移的瞬时速度，速度偏小 方法： 实验3：探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系 【问题情景】 如下图所示，是探究向心力与角速度关系的实验装置图。竖直转轴固定在电动机转轴上（未画出），光滑水平直杆固定在转轴上，能随转轴一起转动。一套在水平直杆上的物块与固定在转轴上的力传感器用细线连接，细线水平伸直，当物块随水平直杆匀速转动时，细线拉力F的大小可由力传感器测得。遮光杆的宽度为d，其到转轴的距离固定为L，遮光杆经过光电门所用时间为（挡光时间），物块与竖直转轴间的距离可调。若保持物块到竖直转轴的中心距离为r不变，则： 实验4：验证动量守恒定律 【问题情境】 设：遮光片A和B的宽度均为d，如下图所示。滑块B放在两个光电门之间，滑块A向左挤压导轨架上的弹片后释放滑块A，碰后滑块A、B均一直向右运动。与光电门1相连的计时器的示数只有一个，为，与光电门2相连的计时器的示数有两个，先后为、； 则： 碰撞前： 对A： 碰撞后： 对A： 对B： 在实验误差允许范围内，若碰撞前后动量守恒，即 若：，则验证了动量守恒 1．（2017·全国·高考真题）某同学研究在固定斜面上运动物体的平均速度、瞬时速度和加速度之间的关系．使用的器材有：斜面、滑块、长度不同的矩形挡光片、光电计时器． 实验步骤如下： ①如图(a)，将光电门固定在斜面下端附近，将一挡光片安装在滑块上，记下挡光片前端相对于斜面的位置，令滑块从斜面上方由静止开始下滑； ②当滑块上的挡光片经过光电门时，用光电计时器测得光线被挡光片遮住的时间Δt； ③用Δs表示挡光片沿运动方向的长度[如图(b)所示]，表示滑块在挡光片遮住光线的Δt时间内的平均速度大小，求出； ④将另一挡光片换到滑块上，使滑块上的挡光片前端与①中的位置相同，令滑块由静止开始下滑，重复步骤②、③； ⑤多次重复步骤④； ⑥利用实验中得到的数据作出v－Δt图，如图(c)所示． 完成下列填空： (1)用a表示滑块下滑的加速度大小，用vA表示挡光片前端到达光电门时滑块的瞬时速度大小，则与vA、a和Δt的关系式为 ＝ . (2)由图(c)可求得vA＝ cm/s，a＝ cm/s2.(结果保留3位有效数字) 2．（2022·山东·统考高考真题）在天宫课堂中、我国航天员演示了利用牛顿第二定律测量物体质量的实验。受此启发。某同学利用气垫导轨、力传感器、无线加速度传感器、轻弹簧和待测物体等器材设计了测量物体质量的实验，如图甲所示。主要步骤如下： ①将力传感器固定在气垫导轨左端支架上，加速度传感器固定在滑块上； ②接通气源。放上滑块。调平气垫导轨； ③将弹簧左端连接力传感器，右端连接滑块。弹簧处于原长时滑块左端位于O点。A点到O点的距离为5.00cm，拉动滑块使其左端处于A点，由静止释放并开始计时； ④计算机采集获取数据，得到滑块所受弹力F、加速度a随时间t变化的图像，部分图像如图乙所示。 回答以下问题（结果均保留两位有效数字）： （1）弹簧的劲度系数为 N/m。 （2）该同学从图乙中提取某些时刻F与a的数据，画出a—F图像如图丙中I所示，由此可得滑块与加速度传感器的总质量为 kg。 （3）该同