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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，
1
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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：
2
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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
3
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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、
4
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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）该同学在滑块上增加待测物体，重复上述实验步骤，在图丙中画出新的a—F 图像Ⅱ，则待测物体的
质量为 kg。
3．（2021·湖南·高考真题）某实验小组利用图（a）所示装置探究加速度与物体所受合外力的关系。主要
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实验步骤如下：
（1）用游标卡尺测量垫块厚度，示数如图（b）所示，
；
（2）接通气泵，将滑块轻放在气垫导轨上，调节导轨至水平；
（3）在右支点下放一垫块，改变气垫导轨的倾斜角度；
（4）在气垫导轨合适位置释放滑块，记录垫块个数
和滑块对应的加速度
；
（5）在右支点下增加垫块个数（垫块完全相同），重复步骤（4），记录数据如下表：
1
2
3
4
5
6
0.087
0.180
0.260
0.425
0.519
根据表中数据在图（c）上描点，绘制图线 。
如果表中缺少的第4 组数据是正确的，其应该是
（保留三位有效数字）。
4．（2022·重庆·高考真题）如图为某小组探究两滑块碰撞前后的动量变化规律所用的实验装置示意图。带
刻度尺的气垫导轨右支点固定，左支点高度可调，装置上方固定一具有计时功能的摄像机。
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（1）要测量滑块的动量，除了前述实验器材外，还必需的实验器材是 。
（2）为减小重力对实验的影响，开动气泵后，调节气垫导轨的左支点，使轻推后的滑块能在气垫导轨上
近似做 运动。
（3）测得滑块B 的质量为
，两滑块碰撞前后位置x 随时间t 的变化图像如图所示，其中①为滑块B
碰前的图线。取滑块A 碰前的运动方向为正方向，由图中数据可得滑块B 碰前的动量为
（保留2 位有效数字），滑块A 碰后的图线为 （选填“②”“③”“④”）。
5．（2022·全国·统考高考真题）利用图示的实验装置对碰撞过程进行研究。让质量为
的滑块A 与质量
为
的静止滑块B 在水平气垫导轨上发生碰撞，碰撞时间极短，比较碰撞后A 和B 的速度大小
和
，
进而分析碰撞过程是否为弹性碰撞。完成下列填空：
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（1）调节导轨水平；
（2）测得两滑块的质量分别为
和
。要使碰撞后两滑块运动方向相反，应选取质量为
kg 的滑块作为A；
（3）调节B 的位置，使得A 与B 接触时，A 的左端到左边挡板的距离
与B 的右端到右边挡板的距离
相等；
（4）使A 以一定的初速度沿气垫导轨运动，并与B 碰撞，分别用传感器记录A 和B 从碰撞时刻开始到各
自撞到挡板所用的时间
和
；
（5）将B 放回到碰撞前的位置，改变A 的初速度大小，重复步骤（4）。多次测量的结果如下表所示；
1
2
3
4
5
0.49
0.67
1.01
1.22
1.39
0.15
0.21
0.33
0.40
0.46
0.31
0.33
0.33
0.33
（6）表中的
（保留2 位有效数字）；
（7）
的平均值为 ；（保留2 位有效数字）
（8）理论研究表明，对本实验的碰撞过程，是否为弹性碰撞可由
判断。若两滑块的碰撞为弹性碰撞，
则
的理论表达式为 （用
和
表示），本实验中其值为 （保留2 位有效数字），若该值
与（7）中结果间的差别在允许范围内，则可认为滑块A 与滑块B 在导轨上的碰撞为弹性碰撞。
6．（2023·河北·校联考模拟预测）某实验小组用如图甲所示的装置来测量当地的重力加速度。气垫导轨固
定在水平桌面上，将带有遮光条的滑块轻放于气垫导轨上。轻绳跨过固定在气垫导轨左端的定滑轮后一端
与滑块相连，另一端与重锤相连。最初保持滑块静止。调整滑轮高度使其右侧的轻绳与气垫导轨平行，测
得重锤的质量为m=0.2kg，滑块和遮光条的总质量为 M=1kg，遮光条的宽度为d。释放滑块前遮光条中心
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与光电门中心之间的水平距离为L。将滑块由静止释放。测得遮光条通过光电门所用的时间为t。
（1）该实验小组用螺旋测微器测量遮光条的宽度如图乙所示。则d= mm；
（2）多次重复实验，以L 为横轴，以 为纵轴，作出
的关系图像，该图像为过原点的倾斜直线。
测得其斜率为
，则当地的重力加速度 g=
（结果保留两位有效数字）；
（3）保证滑块释放的位置不变。某次测得经过光电门的时间为t1，将光电门换一个离滑块较远的位置再次
测得经过光电门的时间为t2，测得两次光电门的位置相距为x，则当地重力加速度
（用题目中
所给的字母表示，用上 t1、t2）。
7．（2023·河北衡水·衡水市第二中学校考三模）某实验小组利用如图甲所示的装置来测量当地的重力加速
度。主要实验步骤如下：
①用游标卡尺测量遮光片的宽度d，示数如图乙所示；
②用手托住滑块，使其保持静止，测出_______（填物理量名称及表示物理量的字母）、垫块的厚度h、气
垫导轨左端到垫块左端的距离L；
③接通气泵，将滑块由静止释放；
④记录遮光片经过光电门的时间t。
⑤改变滑块的位置，重复实验。
（1）遮光片的宽度d= cm。
（2）将②中划线部分补充完整 。
（3）某次实验中测得
，则遮光片通过光电门时的速度大小为 m/s（结果保留三位有
效数字）。
（4）实验所测当地重力加速度g= （用题中所给或所测物理量的字母表示）。
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（5）将测定的多组g 值取平均值后发现比当地实际重力加速度略小，主要原因是 。
8．（2022·浙江台州·统考模拟预测）在“探究加速度与力、质量的关系”实验中，小王同学组装了如图1
所示装置。
①小车的质量为223.4g，应该在图中选择 （填“A”、“B”或“C”）作为牵引小车的悬挂物。
②图2 为实验中得到的一条纸带，则其对应的加速度
（保留两位有效数字）。
③小王同学换用如图3 所示装置再次探究，在气垫导轨上安装了两个光电门1、2，滑块上固定一遮光条，
滑块通过绕过两个滑轮的细绳与弹簧秤相连，不计细绳与滑轮之间的摩擦力。
实验中用游标卡尺测量遮光条的宽度，示数如图4 所示，读数为 mm。
本实验 （选填“需要”或“不需要”）将带滑轮的气势导轨右端垫高，以补偿阻力；实验中
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（填“需要”或“不需要”）悬挂钩码的质量远小于滑块质量。
9．（2024·海南·校联考一模）（1）某实验小组利用气垫导轨、光电门和力传感器（能显示传感器上方绳
子的拉力）等器材“探究加速度与物体所受合外力的关系”并同时测量物体的质量，装置如图1 所示。实
验时滑块每次从气垫导轨上的同一位置释放。先测出遮光片的宽度d，由刻度尺读出滑块释放点到光电门
的距离
。
（1）下列实验操作中没有必要的是 （填正确选项前的符号）。
A．调节气垫导轨水平
B．调节滑轮使细线与轨道平行
C．悬挂钩码的质量必须远小于滑块质量
D．记录每次实验力传感器的示数F 及遮光片通过光电门的时间t
（2）改变钩码个数，多次实验，得到多组
值，作出
图线是一条如图2 所示的倾斜直线，则
滑块质量一定时，滑块的加速度与其所受合外力成正比得以验证。若测出图线的斜率为
，则滑块的质量
（用所测得的物理量符号表示）。
10．（2023·江西上饶·统考二模）某同学用如图甲所示的实验装置来探究绳子拉力做功与小车动能变化的
关系。在水平桌面上放有一端装有定滑轮的气垫导轨，气垫导轨上固定有相距为L 的甲、乙两个光电门，
光电门用来测量遮光片通过光电门的遮光时间，滑块经绕过定滑轮的轻质细绳与装有砂的砂桶连接。请完
成下面问题：
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（1）用游标卡尺测量遮光片的宽度。
①测量时需要用到图乙中的B，B 的名称是 。
②测量结果如图丙所示，则遮光片的宽度为
。
（2）本实验中，力传感器、沙和沙桶的总质量m （选填“需要”或“不需要”）远小于小车
和遮光片的总质量M。
11．（2023·山东潍坊·统考二模）某同学利用如图甲所示的实验装置探究合外力做功与物体动能改变量之
间的关系．
实验步骤如下：
①用游标卡尺测量遮光条的宽度d，测得小车（含遮光条）的质量为M，用刻度尺测出两光电门中心间的
距离为L．调节滑轮高度，让细线与木板始终平行．已知重力加速度为g；
②挂上沙桶，调节木板的倾角，使小车沿木板下滑时通过甲、乙两光电门的遮光时间相同；
③取下沙桶，测得沙和沙桶的总质量为m．将小车从木板上端由静止释放，分别记录小车通过两光电门甲、
乙时的遮光时间
、
；
④改变沙桶总质量和木板倾角，重复步骤②③；
⑤进行数据处理．
回答下列问题：
（1）游标卡尺示数如图乙所示，则遮光条的宽度
；
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（2）取下沙桶后，小车加速运动过程中受到的合外力大小为 （用所给物理量符号表示）；
（3）若小车下滑过程中满足表达式 （用所给物理量符号表示），则说明合外力做的
功等于动能的改变量．
12．（2023·全国·校联考模拟预测）某同学用如图甲所示的装置探究物体做圆周运动的向心力大小与半径、
线速度、质量的关系。用一根细线系住钢球，另一端连接在固定于铁架台上端的力传感器上，直径为d 的
钢球静止于A 点，将光电门固定在A 的正下方。钢球底部竖直地粘住一片宽度为x 的遮光条。
（1）用天平测出钢球质量，用刻度尺测出摆线长度。
（2）将钢球拉至不同位置由静止释放，读出钢球经过A 点时力传感器的读数F 及光电门的遮光时间t，算
出钢球速度的平方值，具体数据如下表所示：
1
2
3
4
5
F/N
0.124
0.143
0.162
0.181
0.200
2.0
4.0
5.8
8.0
10.1
画出
的关系图像如图乙所示：
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（3）由图像可知，钢球的重力为 N（结果保留3 位小数）。
（4）若图像的斜率为k，钢球质量为m，重力加速度为g，则F 与
的关系式为 （用所给物理量
的符号表示）。
（5）某同学通过进一步学习知道了向心力的公式，发现实验中使用公式
求得钢球经过A 点的向心力
比测量得到的向心力大，你认为产生误差的主要原因是 。
A．钢球运动过程中受到空气阻力的影响
B．钢球经过光电门的时间过长
C．光电门测出的是遮光条通过时的速度，大于钢球球心通过最低点的速度
D．钢球释放的初始位置细绳与竖直方向夹角大于10°
13．（2023·河北唐山·迁西县第一中学校考二模）小研同学通过如图所示的装置探究影响物体做圆周运动
的向心力的因素。小滑块套在光滑水平杆上，随杆一起绕竖直杆做匀速圆周运动，力传感器通过一细绳连
接滑块，用来测量向心力F 的大小。滑块上固定一遮光片，通过遮光片与固定在铁架台上的光电门可测量
出滑块的线速度大小。已知小滑块上遮光片的宽度为d，滑块到转轴的距离为r。（以下结果均用题中所给
字母表示）
（1）若遮光片经过光电门的时间为t，则滑块做匀速圆周运动的周期T = 。
（2）若（1）中力传感器示数为F，则滑块质量为 。
（3）该同学通过改变转速，记录多组力传感器示数F 和对应的滑块上遮光片通过光电门的时间t。若以F
为纵轴，要得到线性图像，则横轴所代表的物理量为 。[选填“t”、“
”或“
”]
14．（2024·广东佛山·统考一模）实验室提供如图所示的气垫导轨和光电门组合实验装置，并有天平、螺
旋测微器、细线、力传感器等辅助器材。某实验小组利用该装置及辅助器材来探究合外力做功与物体动能
变化之间的关系，已知实验时光电门1 和光电门2 测出遮光条通过它们的时间分别为
和
。请回答下列
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问题：
（1）用螺旋测微器测量遮光条宽度d 时，其示数如图乙所示，则
mm；
（2）实验过程中还需要测量的物理量有：两光电门之间的距离L、滑块的质量m 和 （请写出物理量
及对应的字母）；
（3）实验得到滑块从光电门1 位置运动到光电门2 位置过程中合外力做功的表达式为
，滑块动
能变化量的表式为
（用题中相关字母表示）；
（4）以下操作步骤可以减小实验误差的有 。
A．为平衡摩擦力适当垫高导轨右端
B．两个光电门之间的距离适当远一些
C．遮光条的宽度适当小一些
D．换用质量尽量大的滑块
15．（2023·贵州黔东南·校考模拟预测）某学习小组利用气垫导轨验证动能定理，实验装置如图所示。滑
块在细线的牵引下向左加速运动，导轨上的两光电传感器可显示滑块通过时的挡光时间
和
。重力加速
度为g。
（1）实验过程如下：
a.用天平测出滑块的质量
，小钩码的质量
。本次实验控制两光电门之间距离保持不
变，挡光条宽度
；
b.启动气垫导轨气源，调整气垫导轨水平，将小钩码悬挂在导轨末端下方，并通过牵引绳与滑块连接，对
15
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滑块施加拉力作用；
c.将滑块从气垫导轨右端释放，滑块在拉力作用下依次通过两光电门。记录遮光条通过光电传感器1、2 时
的挡光时间
和
；
d.增加小钩码质量至
，重复步骤c；
e.用牛顿第二定律求出绳上的拉力，请写出拉力的表达式
（用M、m、g 表示）；
f.计算每次实验中滑块动能的变化量；
g.比较拉力对滑块做的功与滑块动能变化量在误差允许范围内是否相等。
（2）滑块通过光电传感器1、2 的速度大小分别为 、 。（用题目所给符合表示）
16．（2023·广东佛山·统考模拟预测）某学习小组利用气垫导轨通过闪光照相“探究完全非弹性碰撞中的
不变量”，气垫导轨装置如图甲所示，所用的气垫导轨装置由导轨、滑块、弹射架等组成。
（1）为达成实验目的，需要在滑块上安装辅助装置，则本实验需要安装的辅助装置应选择下图中的
（填乙或丙）（乙图两滑块分别装有弹性圈，丙图两滑块分别装有撞针和橡皮泥）
（2）某次实验时碰撞前B 滑块静止，A 滑块匀速向B 滑块运动并发生碰撞，利用闪光照相的方法连续4
次拍摄得到的闪光照片如图所示。
已知相邻两次闪光的时间间隔为0.1s，在这4 次闪光的过程中，A、B 两滑块均在0~80cm 范围内，且第1
次闪光时，滑块A 恰好位于x=10cm 处。若A、B 两滑块的碰撞时间及闪光持续的时间极短，均可忽略不
计。设向右方向为正方向，滑块A 碰前和碰后的速度大小分别为 m/s、 m/s，A、B 两
滑块质量比
= 。
17．（2023 上·海南省直辖县级单位·高三校考阶段练习）某同学用如图3 所示的实验装置验证动量守恒定
律，所用器材包括：气垫导轨、带有遮光片（宽度相同）的滑块A 和B、光电门1 和光电门2（两者均与
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计算机相连接）。
实验步骤如下：
a．用天平测出滑块A、B（均含遮光片）的质量分别为M、m；
b．将滑块A、B 按图1 所示的位置放在气垫导轨上，启动气泵，调节气垫导轨，使导轨保持水平；
c．给滑块B 一个水平向左的初速度，滑块B 与静止的滑块A 发生碰撞，碰后滑块B 反弹再次经过光电门
2。计算机记录滑块A 通过光电门1 的遮光时间是
，滑块B 第一次、第二次通过光电门2 的遮光时间分
别是
、
。
回答下列问题：
①用游标卡尺测得遮光片的宽度d 如图4 所示，则
mm。
②规定以水平向右为正方向，滑块B 碰撞前后动量变化量
。（用m、d、
、
表示）
③若在误差允许的范围内验证动量守恒定律，则滑块的质量满足关系式 。（用、、表示）
17
