光电传感器在物理实验中的应用例析

邬春桂+梁汉金

摘 要 光电开关（又称光电门） 是一种光电耦合器件，它是由一个元件和光电接收元件组合而成的转换器件。它的特点是小型、高速、非接触，且容易与其他电路结合。本文首先介绍光电传感器的基本原理，并对其特性进行研究，通过示例来说明其在物理实验中的应用。

关键词 光电门 现代技术 传感器 物理实验

中图分类号：G427 文献标识码：A

在现代技术中，传感器是指一些能够感受力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压等电学量，或转换为电路通断的元器件。非电学量转换为电学量以后，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。传感器在生活、生产和科技领域有着非常广泛的应用。

光电开关（又称光电门） 是一种光电耦合器件，它是由一个元件（如发光二极管） 和光电接收元件组合而成的转换器件。光电开关的发光和接收元件都封装在一个金属或塑料外壳内，它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。当不透明物体经过它们之间时，会阻断光路，使接收元件接收不到来自发光元件的光，起到控制作用。光电开关的特点是小型、高速、非接触，且容易与其他电路结合。

高考大纲中对传感器内容要求是简单的应用，特别光电传感器是近年高考实验题的新动态，07年广东卷、09年全国卷均有涉及，所以要引起重视。

1光电门在测量速度实验中的应用

光电开关用于气垫导轨上测量速度的原理如下： 气垫导轨上装有如图1 所示的挡光片，未挡光时光电门接收器输出为低电位，滑块经过光电门时，由于接收器被挡光片挡光，其输出为高电位，当滑块在气垫导轨上做匀速运动时，接收器的输出波形如图1所示。输出脉冲的宽度可以测量出来，从而可以利用距离和时间的关系：V=s/t计算滑块运动物体经过光电门时的瞬时速度（实际是以平均速度代替瞬时速度）。

【例1】光电计时器是一种研究物体运动情况的常用计时仪器，其结构如图2（a）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，光电计时器就可以精确地把物体从开始挡光到挡光结束的时间记录下来。现利用图（b）所示的装置测量滑块和长木板间的动摩擦因数，图中MN是水平桌面，Q是长木板与桌面的接触点，1和2是固定在长木板上适当位置的两个光电门，与之连接的两个光电计时器没有画出，长木板顶端P点悬有一铅锤，实验时，让滑块从长木板的顶端滑下，光电门1、2各自连接的计时器显示的挡光时间分别为1.0€？0-2 s和4.0€？0-3s.用精度为0.05 mm的游标卡尺测量滑块的宽度为d，其示数如图（c）所示。

（1）滑块的宽度d= ____cm.

（2）滑块通过光电门1时的速度v1=____ m/s，滑块通过光电門2时的速度v2=_____m/s.（结果保留两位有效数字）

（3）由此测得的瞬时速度v1和v2只是一个近似值，它们实质上是通过光电门1和2时的____，要使瞬时速度的测量值更接近于真实值，可将____的宽度减小一些。

2光电门在测量重力加速度实验中的应用。

由匀变速直线运动规律=2aS，可得a=（）/2S，本实验采用光电门传感器来测量重力加速度，当U形挡光片前端挡光时，传感器记录下挡光时间t1，挡光片后端挡光时，传感器记录下挡光时间t2。由于t1 和t2很小，因此用挡光片宽度d除以两次挡光时间所得值可认为是挡光片前后端经过光电门时的瞬时速度，即可根据光电门读数求出U形挡光片经过光电门时的初速度V0和末速度Vt ，这样，只要量出U形挡光片两前沿距离S和挡光片宽度d，就可以代入公a=（）/2S式求出当地的重力加速度g 。

【例2】某实验小组利用如图4所示的气垫导轨实验装置来探究当合外力一定时，物体运动的加速度与其质量之间的关系。

3光电门在验证牛顿定律实验中的应用。

在气垫导轨上放两个相同的滑块，在离两滑块相同距离的两个位置分别固定两个光电门，用一根短细线连接两滑块，在中间夹一个压缩了的弹簧，用手按住它们静止在气垫导轨上。现烧断连接滑块的细绳，两滑块同时向两边运动。通过数字计时器测量两滑块分别经过两个光电门时的瞬时速度几乎相等，由此推理两滑块受力相等，得出作用力和反作用力大小相等，从而得牛顿第三定律。

4光电门在验证动量（能量）守恒定律实验中的应用

在气垫导轨的两个位置上分别固定两个光电门，然后将两个质量不相同的滑块放在导轨上。现同时给两个滑块一个初速度，读出分别经过光电门的瞬时速度。当两个滑块碰撞后再次经过光电门时，又读出分别的瞬时速度。将测得的速度和两个滑块的质量带进动量守恒定律的表达式m1v1+m2v2=m1v'1+m2v'2，看等号是否成立，从而验证了动量守恒定律。

光电计时器是一种研究物体运动情况的常用计时仪器，在力学实验中应用很广泛，特别在测量速度、加速度、验证牛顿定律、动量（能量）守恒定律等实验中。在这些物理实验中，他们基本原理都是一样，首先利用光电门测量速度，然后求其他物理量或验证其他守恒定律。

参考文献

[1] 栾贵东.传感器及其应用[M].西安：西安电子科技大学，2002.

[2] 杨黎明.传感器检测技术[M].北京：国防工业出版社，2007.endprint