鐘俊敏

摘? ?要：本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了光電門實(shí)驗(yàn)的誤差，分析了誤差產(chǎn)生的原因，提出了對(duì)策和建議。

關(guān)鍵詞：光電門實(shí)驗(yàn);誤差分析;對(duì)策

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2019）3-0054-2

光電門經(jīng)常與氣墊導(dǎo)軌配合使用，能較好地完成多個(gè)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)。常見的光電門由發(fā)光管與光敏管組成，如圖1所示，發(fā)光管與光敏管正面相對(duì)，它發(fā)出的光使光敏管感光。當(dāng)滑塊經(jīng)過(guò)時(shí)，其上面的遮光條把光擋住，與光敏管相連的數(shù)字計(jì)時(shí)器就記錄了遮光時(shí)間的長(zhǎng)短，從而可以算出滑塊經(jīng)過(guò)時(shí)的平均速度。其時(shí)間測(cè)量可以精確到0.001 s，又叫數(shù)字毫秒計(jì)，有效地消除了人工計(jì)時(shí)的反應(yīng)時(shí)間的影響，是保障中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確的基礎(chǔ)。

怎樣才能發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)，更好地完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)?zāi)?？下面以“碰撞中?dòng)量守恒”為例，如圖2所示，分析光電門的誤差。

1? ? 碰撞實(shí)驗(yàn)

在氣墊導(dǎo)軌上，讓m1去碰撞靜止的m2，取滑塊m1=m2=223.1 g，以尼龍扣為粘結(jié)體， 碰后粘在一起運(yùn)動(dòng)。若動(dòng)量守恒，則mv=2mv1，即mL/t=2mL/t1，得到 t1=2t。當(dāng)L=0.8 cm時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1。

可見，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)（平均2.50倍）和理論值（2倍）有較大的誤差。

將擋光條的寬度調(diào)到L=3.6 cm，如圖3所示，重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)量數(shù)據(jù)如表2。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)（平均2.11倍）和理論值（2倍）的誤差縮小了。順著這個(gè)思路，將擋光條的寬度調(diào)到L=12.9 cm，如圖3所示，重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)量數(shù)據(jù)如表3。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)（平均2.04倍）和理論值（2倍）的誤差又縮小了。

2? ? 誤差分析

通常LED發(fā)光管的直徑為5 mm，有一定的發(fā)光面積，如圖4所示，光敏管的受光面積與其相當(dāng)，也有一定的受光面積。擋光條自右向左通過(guò)光電門時(shí)，擋光有個(gè)過(guò)程，只有擋住大部分光線，使光敏管感受不到足量的光，即達(dá)到光敏管的閉光閾值，才開始計(jì)時(shí)。同理，擋光條通過(guò)光電門時(shí)，只要有部分光線到達(dá)光敏管，使其感受到一定量的光，即達(dá)到光敏管的起光閾值，就結(jié)束計(jì)時(shí)。這樣，開始計(jì)時(shí)與結(jié)束計(jì)時(shí)不在光電門的同一個(gè)位置，形成了圖4中的d值，這就是產(chǎn)生計(jì)時(shí)誤差的原因。且d與L的比值大小，直接影響到計(jì)時(shí)誤差的大小。

3? ? 對(duì)? ?策

為了驗(yàn)證上述結(jié)論，采用逆向思維，將擋光條的寬度減小，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如圖5所示，當(dāng)擋光條的寬度減小到2.2 mm左右時(shí)，擋不住從發(fā)光管射向光敏管的大部分光，此時(shí)光電門記錄不到擋光時(shí)間，失去了光電計(jì)時(shí)器的作用。證明了前面的猜想。

因此，要發(fā)揮好光電門的作用，并且盡可能減小計(jì)時(shí)誤差，必須選用恰當(dāng)寬度的擋光條。碰撞實(shí)驗(yàn)中，因碰撞前后滑塊都做勻速運(yùn)動(dòng)，擋光條的寬度盡可能寬一些。上面的測(cè)量結(jié)果說(shuō)明，較寬的擋光條進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，計(jì)時(shí)誤差較小，一般要求10 cm以上。當(dāng)滑塊在氣墊導(dǎo)軌上加速運(yùn)動(dòng)時(shí)（如測(cè)加速度、驗(yàn)證機(jī)械能守恒等實(shí)驗(yàn)），要用平均速度代替瞬時(shí)速度，太寬的擋光條又會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，一般取2 cm左右即可。

（欄目編輯? ? 王柏廬）