[그림1] 에미터와 광검출기

포토게이트는 광학적인 방법으로 물체의 운동을 측정하는 기구이다. 포토게이트에는 발광 다이오드(light emitting diode, LED)를 쓰고 광검출기로는 광 다이오드(photodiode) 또는 광 트랜지스터(phototransistor, photo TR)를 써서 서로 마주보게 위치시킨다. 그 사이로 물체가 지나가면 에미터(emitter)로 부터의 빛을 차단하게 되므로 광 검출기의 출력신호가 변화된다. 포토게이트에는 계수기(counter)가 들어 있어서 변화되는 시간간격을 측정할 수 있다. 물체가 빛을 차단하는데 걸리는 시간을 t, 물체의 크기를 d 라고 하면 물체의 속력은 v = d/t 로 구할 수 있다. 이 속력은 물체가 에미터로 부터의 광로를 지나가는 동안의 평균속력임에 유의하라. 또, 단진자 운동 실험에서 쇠공과 같이 원형인 물체를 통과시킬 때는 공의 중심이 에미터와 광검출기 사이를 바로 지나가도록 맞추어야 한다. 이외에도 포토게이트를 이용하여 다양한 시간간격을 측정할 수가 있다.

※ 본 연세대 물리학실험실에서는 과거에 아래 그림2,3 과 같은 2가지 모델을 사용하였으나 PC 인터페이스 실험으로 대체되며 현재는 게이트 만을 사용하고 있음.

[그림2] 포토게이트1

직선운동하는 물체의 속도, 가속도 또는 단진자의 주기 등을 측정할 수 있다. 한개 또는 두개의 포토게이트를 사용하여 물체가 광선을 가로질러 통과하는데 걸리는 시간이나 두 지점간에 이동하는 시간뿐 아니라, 단진자의 왕복운동의 주기 등을 최소 0.1 ms 의 크기로 측정할 수 있다. 기억(memory)기능과 스톱워치(stop watch)의 기능을 가지고 있어서, 낙하운동의 중력가속도 측정 등 다양한 실험에 이용된다. 포토게이트의 에미터(emitter)와 광검출기 사이의 간격이 7cm 이므로 이보다 작은 물체의 움직임을 조사할 수 있다. (1) 본체 뒷면 전원 잭에 DC 9V 전원 아답터 플러그를 연결(+ -극성 구별할것! -꺼꾸로 끼우면 고장)한다. 전원 아답터의 공급 전원 110V 선택 스위치를 확인한 뒤, 콘센트에 연결한다. (2) 게이트의 위치는 물체가 게이트를 통과할 때 광선을 차단할 수 있도록 위치와 방향을 맞춘다. 검출기의 각도나 높이를 조절하기 위해서는 지지대의 조임나사를 풀어서 조정한 후 다시 조인다. (3) 타이머가 없는 두번째 포토게이트를 사용하려면, 첫번째 본체 옆면에 있는 플러그에  두번째 포토게이트의 플러그를 끼운다.(set 사용시)

[그림3] 포토게이트 2

[그림4] 모드별 시간간격

(1) 게이트(Gate) 모드 Gate 방식에서 시간측정은 광선이 처음으로 차단될 때 시작되어 광선의 차단이 끝날 때까지 계속된다. 이 방식은 검출기를 통과하는 물체의 속력을 측정할 때 사용된다. 만약 시간 t 동안 길이(또는 폭) L 의 물체가 검출기의 광선을 차단했다면, 물체의 속력은 L/t 이다. 이때 속력은 시간 t 동안의 물체의 평균속력이며, 이 시간이 충분히 짧을 때에는 순간속력으로 볼수 있다. (2) 펄스(Pulse) 모드 Pulse 방식에서 시간측정은 광선이 처음으로 차단될 때

[그림5] 스마트 풀리 [그림6] 스마트 풀리 규격

컴퓨터 인터페이스 실험에서 디지탈 센서가 물체의 운동에 대한 시간을 재는데 사용된다면 프로그램은 물체의 위치, 속도, 가속도를 계산할 수 있다. 그 계산은 측정될 수 있는 물체나 사건에 대한 매개변수(정보; Information)에 기초한다. 예를들어, 당신이 물체에 대해 일정한 시간동안 움직인 거리를 입력했다면 그 운동은 측정된 것이고 프로그램은 시간으로 거리를 나누어 물체의 평균 속력을 계산할 수 있다.   V평균= 거리 / 시간 회전운동을 측정하기 위해 포토게이트와 풀리를 결합한 스마트풀리의 경우도 마찬가지로 해석될 수 있다.   풀리의 홈(groove)에서 실이 움직이며 돌아갈때, 프로그램은 이미 스마트풀리의 일회전이 15cm 의 직선거리 에 해당한다는 것을 알고있다. (바깥 둘레의 길이는 16cm)   스마트풀리는 일정한 간격으로 10개의 바퀴살(Spokes)을 가지고 있기 때문에 스마트풀리가 직접 측정할 수 있는 최소거리(Spoke Arc Length; 단위 호의 길이)는 1.5cm (=15cm/10개 바퀴살) 또는 0.015m 이다. 센서아이콘을 더블클릭하면 아래와 같은 2가지 모드에서 스마트풀리에 대한 파라미터를 바꿔 줄수가 있는데 디폴트값은 홈 내에서 접선속도를 잴 경우 0.015m, 각속도를 잴 경우는 0.628 rad 이다.