# 光电门：0.02 秒里藏着的速度密码

作者：颓頹老师
来源：https://example.com/blog/photogate-experiment/
发布：2026-10-12T00:00:00.000Z
更新：2026-10-12T00:00:00.000Z

用光电门实验讲清瞬时速度怎么测、加速度怎么算，高考实验题的常客，比打点计时器更狠的测量方式。

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上周实验室开放日，一个家长问我：老师，现在测速度还用秒表吗？我说早就不用了，现在用的是光电门——一道红外光束横在小车跑道上，小车一穿过去，计时器瞬间给出一个读数，精确到千分之一秒。她当时说了句"这也太卷了"。

确实卷。但高考实验题就爱考它。今天把这个装置彻底讲透，孩子再遇到光电门的题，你也能看出门道。

## 它到底测的是什么

光电门的结构不复杂：一个 U 形架子，一边发射红外光，一边接收。中间那道光束就是它的"眼睛"。小车顶上装一片窄窄的挡光片，挡光片一过，光被挡住，计时器开始走；挡光结束，计时器停。屏幕上留下的，就是挡光片遮住光的那段时间。

![小车顶部装着挡光片，正要穿过光电门](/blog-images/photogate-experiment/cart-passing-photogate.png)

比如屏幕显示 0.020 秒，意思是挡光片遮光用了 20 毫秒。

有意思的地方来了。挡光片的宽度 d 是已知的，比如 1.0 厘米。用 d 除以挡光时间，就得到挡光片经过光电门这段距离的平均速度。

问题是：平均速度凭什么当瞬时速度用？

关键在挡光片足够窄、时间足够短。1 厘米在整段运动里只是一小撮，20 毫秒更是一眨眼都不到。距离越短、时间越短，这段里的速度就越来不及变化，平均速度就越接近"经过这一点的瞬时速度"。极限思想，教材上"时间取得无限短"那一段说的就是这事。高考真考过这个理解：挡光片换宽了，测出来的还是平均速度，误差反而变大。

![计时器显示挡光时间 0.020 秒](/blog-images/photogate-experiment/timer-reading.png)

## 一个门测速度，两个门测加速度

单个光电门只能给出一个位置的速度。想知道小车是不是在加速，就得请出第二个门。

两个光电门前后架在轨道上，小车先经过 A 门，记下挡光时间，算出速度 v₁；再经过 B 门，得到 v₂。两个速度之间的时间间隔Δt 由计时器直接给出（或者用两门之间的距离除以中间时刻来算）。

加速度的定义式直接上：

> a = (v₂ − v₁) / Δt

![双光电门测加速度的装置与公式](/blog-images/photogate-experiment/double-gate-setup.png)

整个测量过程没有人工掐表的份。人掐秒表的反应时间约 0.2 秒，光电门的精度是毫秒级，差了两百倍。这就是为什么高考题越来越喜欢拿它出数据：仪器准，数据的坑反而藏得更深。

实验操作还有几个细节，考试爱在步骤排序题里考。轨道要先调平：给小车一个轻推，两个门读出的速度几乎相等，说明轨道水平了，重力的影响才被抵消。挡光片要和运动方向平行，斜着过去，挡光宽度就比实际宽度大，速度算出来偏大。再有一个，测量之前先试跑一遍，确认计时器归零、挡光片完整过门，正式数据才算数。这些步骤看着琐碎，全是实验题里"该步骤的目的"这一问的标准答案。

## 数据到手，考试怎么考

光电门实验题的套路，翻来覆去就三种。

**第一种：给时间求速度。** 最基础的送分题，v = d/Δt，注意单位换算，挡光片宽度经常用厘米给的，先换算成米再除。

**第二种：判断运动性质。** 给你一串速度数据，让你判断小车做什么运动。办法是看相邻相等时间间隔内的速度差Δv是不是恒量。是恒量，匀加速；越来越小，可能在减速。判断完别急着写答案，用 a = Δv/Δt 算一下数值，题目经常接着问加速度。

**第三种：图像处理。** 把多组 (Δt, v) 数据描到坐标纸上，v-t 图像如果是条倾斜直线，斜率就是加速度。这一步跟打点计时器实验完全打通，工具换了，处理数据的方法一点没变。高考实验题最爱玩这种"新旧设备混搭"，用打点计时器的老方法来分析光电门的新数据，考的就是你有没有真的懂。

![用 v-t 图像处理光电门数据，斜率即加速度](/blog-images/photogate-experiment/data-analysis.png)

## 家长可以问孩子的一个问题

晚饭桌上不用讲公式，就问一句：你们实验室那个光电门，挡光片如果宽一倍，测出来的速度会更准还是更不准？

孩子要是答"更准，因为数据多"，说明极限思想还没通，别急着纠正，把挡光片比作照相机快门：快门越快，拍下的瞬间越"定住"；快门慢了，拍出来就是拖影，平均了。要是他能说出"更宽的话速度在挡光期间变得越多，平均速度就越不像瞬时速度"，那这关算是过了。物理里很多概念，一句话就能试出深浅。

下期讲纸带处理。打点计时器那条纸带上的点，怎么算速度、怎么算加速度，附 a = T²·Δx 这个万能推论的来历。光电门是新时代，纸带是老传统，高考两个都考，放一起学效率最高。

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物理不秃，颓颓守护。下期见！