光电门实验误差分析与对策

钟俊敏

摘   要：本文通过实验发现了光电门实验的误差，分析了误差产生的原因，提出了对策和建议。

关键词：光电门实验;误差分析;对策

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）3-0054-2

光電门经常与气垫导轨配合使用，能较好地完成多个中学物理实验。常见的光电门由发光管与光敏管组成，如图1所示，发光管与光敏管正面相对，它发出的光使光敏管感光。当滑块经过时，其上面的遮光条把光挡住，与光敏管相连的数字计时器就记录了遮光时间的长短，从而可以算出滑块经过时的平均速度。其时间测量可以精确到0.001 s，又叫数字毫秒计，有效地消除了人工计时的反应时间的影响，是保障中学物理实验结果准确的基础。

怎样才能发挥它的优势，更好地完成相关的实验呢？下面以“碰撞中动量守恒”为例，如图2所示，分析光电门的误差。

1    碰撞实验

在气垫导轨上，让m1去碰撞静止的m2，取滑块m1=m2=223.1 g，以尼龙扣为粘结体， 碰后粘在一起运动。若动量守恒，则mv=2mv1，即mL/t=2mL/t1，得到 t1=2t。当L=0.8 cm时，测量数据如表1。

可见，实验测得的数据（平均2.50倍）和理论值（2倍）有较大的误差。

将挡光条的宽度调到L=3.6 cm，如图3所示，重新进行实验，测量数据如表2。

实验测得的数据（平均2.11倍）和理论值（2倍）的误差缩小了。顺着这个思路，将挡光条的宽度调到L=12.9 cm，如图3所示，重新进行实验，测量数据如表3。

实验测得的数据（平均2.04倍）和理论值（2倍）的误差又缩小了。

2    误差分析

通常LED发光管的直径为5 mm，有一定的发光面积，如图4所示，光敏管的受光面积与其相当，也有一定的受光面积。挡光条自右向左通过光电门时，挡光有个过程，只有挡住大部分光线，使光敏管感受不到足量的光，即达到光敏管的闭光阈值，才开始计时。同理，挡光条通过光电门时，只要有部分光线到达光敏管，使其感受到一定量的光，即达到光敏管的起光阈值，就结束计时。这样，开始计时与结束计时不在光电门的同一个位置，形成了图4中的d值，这就是产生计时误差的原因。且d与L的比值大小，直接影响到计时误差的大小。

3    对   策

为了验证上述结论，采用逆向思维，将挡光条的宽度减小，再进行实验。如图5所示，当挡光条的宽度减小到2.2 mm左右时，挡不住从发光管射向光敏管的大部分光，此时光电门记录不到挡光时间，失去了光电计时器的作用。证明了前面的猜想。

因此，要发挥好光电门的作用，并且尽可能减小计时误差，必须选用恰当宽度的挡光条。碰撞实验中，因碰撞前后滑块都做匀速运动，挡光条的宽度尽可能宽一些。上面的测量结果说明，较宽的挡光条进行实验时，计时误差较小，一般要求10 cm以上。当滑块在气垫导轨上加速运动时（如测加速度、验证机械能守恒等实验），要用平均速度代替瞬时速度，太宽的挡光条又会产生系统误差，一般取2 cm左右即可。

（栏目编辑    王柏庐）