Saules panelis kā ēnu izsekotājs: 7 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:52

Fizikā un citās zinātnēs, lai aprakstītu mehānisko kustību, būtisks lielums ir ātrums. Tā mērīšana ir bijusi atkārtota darbība eksperimentālajās klasēs. Es parasti izmantoju videokameru un programmatūru TRACKER, lai kopā ar saviem skolēniem pētītu noteiktu objektu kustību. Viena no grūtībām, ar kurām esam saskārušies, ir: objekti, kas pārvietojas salīdzinoši lielā ātrumā, video kadros parādās neskaidri, kas rada neskaidrības ar programmatūru veiktajos mērījumos. Visizplatītākās metodes un instrumenti objektu izpētei salīdzinoši lielā ātrumā ir balstīti uz DOPPLER efektu un optiskajiem sensoriem kopā ar hronogrāfu.

Šajā instrukcijā es pieeju alternatīvai eksperimentālai metodei, lai izmērītu objekta vidējo ātrumu, izmantojot saules paneli un osciloskopu. To var izmantot mācību priekšmetu fizika (klasiskā mehānika) laboratorijas stundās, jo īpaši tēmā: Tulkošanas mehāniskās kustības kinemātika. Piedāvātā metode un tās eksperimentālais pielietojums ir spēcīgi piemērojams citiem eksperimentālajiem uzdevumiem fizikas disciplīnā absolventiem un absolventiem. To var izmantot arī citos zinātnes kursos, kuros tiek pētīts šis saturs.

Ja vēlaties saīsināt teorētiskos pamatus un doties tieši pie eksperimentālā aparāta konstrukcijas, kā veikt mērījumus, nepieciešamos materiālus un mana dizaina attēlus, lūdzu, pārejiet tieši uz 6. darbību.

1. solis: dažas teorijas:

"Ātrums" ir pazīstams kā attālums, ko objekts veic noteiktā laika intervālā. Ātrums ir skalārais daudzums, tas ir ātruma vektora lielums, kam nepieciešams arī virziens, kādā notiek pozīcijas izmaiņas. Mēs runāsim šajā INSTRUCTABLE ātruma mērīšanai, bet mēs patiešām mērīsim vidējo ātrumu.

2. solis: ātruma mērīšana ar saules paneli?

Saules paneļi ir ierīces, kas darbojas pēc fotoelektriskā efekta principa un kuru galvenā funkcija ir elektriskās strāvas cirkulācija ķēdēs, kurās tās tiek izmantotas. Piemēram, saules paneļus izmanto, lai darbinātu noteikta veida pulksteņus, uzlādētu visu veidu baterijas, arī maiņstrāvas ģenerēšanas sistēmās publiskajam tīklam un mājās. Lietojumprogrammu ir daudz, tā cena tirgū kļūst arvien pievilcīgāka un veicina ilgtspējīgu attīstību, kas ir lieliski.

Pateicoties šīs tehnikas attīstībai, mēs to atrodam daudzās ierīcēs, piemēram, tas, ko es jums parādīju, tika iegūts no lēta lukturīša, kuru es saglabāju un tagad tam ir jauns pielietojums.

Princips ir pamata. Ja gaisma tiek projicēta virs paneļa, tā spailēs rodas atšķirības starp elektrisko potenciālu (spriegumu). Kad ir pievienots voltmetrs, to ir viegli pārbaudīt. Šī potenciāla atšķirība ir atbildīga par elektriskās strāvas cirkulāciju, ja ir pievienota patērētāja ierīce, piemēram, elektriskā pretestība. Atkarībā no ķēdes "pretestības" un paneļa īpašībām tas cirkulēs vairāk vai mazāk strāvu. Saistībā ar šo strāvu saules paneļa spailēs tiks novērots sprieguma kritums, kad patērētājs ir pievienots, bet, ja pretestība paliek nemainīga, spriegums tiek uzturēts nemainīgs, kamēr ir arī apgaismojuma īpašības. Voltmetriem parasti ir augsta pretestība, tāpēc tie ļoti maz ietekmēs ar tiem izmērīto spriegumu. Bet kas notiek, ja mainās apgaismojums ?, mainīsies arī spriegums, un tas ir mainīgais, ko mēs izmantosim.

Apkopojot:

• Saules panelis, kad tas ir izgaismots, uz tā spailēm parāda spriegumu, ko var izmērīt ar voltmetru.

• Spriegums nemainās, ja ķēdes pretestība un apgaismojuma īpašības tiek saglabātas nemainīgas (jābūt fotoelektriskā efekta radīšanai paneļa jutīgajā spektrā).

• Jebkādas izmaiņas apgaismojumā novedīs pie sprieguma izmaiņām - mainīga lieluma, kas tiks izmantots vēlāk, lai iegūtu eksperimentu objektu ātrumu.

Pamatojoties uz iepriekšējiem priekšrakstiem, varētu formulēt šādu ideju:

Objekta prognozētā ēna, pārvietojoties uz saules paneļa, samazinās tā gala spriegumu. Laiku, kas nepieciešams samazināšanai, var izmantot, lai aprēķinātu vidējo ātrumu, ar kādu šis objekts pārvietojas.

3. darbība: sākotnējais eksperiments

Iepriekšējā video eksperimentāli parādīti principi, uz kuriem balstīta iepriekšējā ideja.

Attēls parāda sprieguma izmaiņu ilgumu, ko uzzīmēja osciloskops. Pareizi konfigurējot sprūda funkciju, jūs varat iegūt grafiku, pēc kura mēs varam izmērīt mainīgo laiku. Demonstrācijā variācija bija aptuveni 29,60 ms.

Faktiski tāfeles uzmetums eksperimentā nav punktu objekts, tam ir izmēri. Dzēšgumijas kreisais gals sāk projicēt savu ēnu uz saules paneļa un attiecīgi sāk samazināt spriegumu līdz minimālajai vērtībai. Kad dzēšgumija attālinās un paneli atkal sāk atklāt, ir redzams sprieguma pieaugums. Kopējais izmērītais laiks atbilst laikam, kas vajadzīgs, lai ēnas projekcija pārvietotos pa visu paneli. Ja mēs izmērām objekta garumu (kuram vajadzētu būt vienādam ar tā ēnas projekciju, ja mēs rūpējamies par to), mēs to pievienojam ar paneļa aktīvās zonas garumu un sadalām to starp laiku, kad ilga sprieguma izmaiņas, tad mēs iegūsim šī objekta vidējo ātruma ātrumu. Ja objekta garums, lai izmērītu tā ātrumu, ir kvantitatīvi lielāks par paneļa aktīvo zonu, paneli var uzskatīt par punktu objektu, neieviešot ievērojamu kļūdu mērījumos (tas nozīmē, ka tā garums netiek pievienots objekta garumam).

Veicam dažus aprēķinus (skatīt attēlu)

4. darbība. Lai piemērotu šo metodi, ir jāņem vērā daži piesardzības pasākumi

• Saules paneli jāapgaismo ar gaismas avotu, kas paredzēts eksperimentālajā projektā, pēc iespējas izvairoties no citiem gaismas avotiem, kas to ietekmē.

• Gaismas stariem jāsit perpendikulāri saules paneļa virsmai.

• Objektam ir jāprojektē skaidri definēta ēna.

• Paneļa virsmai un plaknei, kurā ir kustības virziens, jābūt paralēli.

5. solis: tipisks vingrinājums

Nosakiet krītošās bumbas ātrumu no 1 m augstuma, ņemiet vērā sākotnējo ātrumu cero.

Ja bumba nokrīt brīvajā kritienā, tas ir ļoti vienkārši: skat

Reālos apstākļos iepriekšējā vērtība var būt zemāka berzes iedarbības dēļ ar gaisu. Noteiksim to eksperimentāli.

6. darbība: eksperimenta izstrāde, uzbūve un izpilde:

• Piestipriniet plastmasas cauruli pie saules paneļa aktīvās zonas. • Lodējiet jaunus vadus pie saules paneļa spailēm, lai izvairītos no viltus kontaktiem.

• Izveidojiet balstu saules paneļa caurules komplektam, lai to varētu turēt horizontāli.

• Novietojiet lukturīti vai citu gaismas avotu uz cita balsta tā, lai izstarotās gaismas projekcija trāpītu saules panelī perpendikulāri.

• Ar multimetru pārbaudiet, vai, kad uz saules paneļa iedegas gaisma, tiek reģistrēta konstanta sprieguma vērtība, kas lielāka par nulli.

• Novietojiet saules paneļa caurules komplektu laternas priekšpusē, atstājot lielāku atstarpi nekā priekšmets, kura ātrumu vēlaties izmērīt. Centieties pēc iespējas turēt gaismas avotu (lukturīti) no saules paneļa. Ja laternas gaismu rada viens LED, jo labāk.

• Izmēriet no saules paneļa centra un uz augšu viena metra attālumu un atzīmējiet to ar stieni, sienu vai tamlīdzīgi.

• Pievienojiet osciloskopa zondi saules paneļa spailēm, ievērojot polaritāti.

• Osciloskopā pareizi iestatiet opciju TRIGGER, lai visas sprieguma svārstības varētu ierakstīt ēnas pārejas laikā uz paneļa. Manā gadījumā laika sadalījumi bija 5 ms, un sprieguma sadalījumi skalā bija 500 mv. Nulles sprieguma līnija bija jāpielāgo uz leju, lai visas variācijas atbilstu. Sprūda slieksnis tika novietots tieši zem sākotnējā nemainīgā sprieguma.

• Izmēriet objekta un paneļa aktīvās zonas garumu, pievienojiet tos un pierakstiet to, lai aprēķinātu ātrumu.

• Nometiet ķermeni no 1 m augstuma, lai tā ēna pārtrauktu laternas projicēto gaismas staru.

• Izmēriet sprieguma izmaiņu laiku ar osciloskopa kursoriem laika skalā.

• Sadaliet iepriekš veikto garumu summu starp osciloskopā izmērīto laiku.

• Salīdziniet vērtību ar teorētiskajiem aprēķiniem un izdariet secinājumus (ņemiet vērā iespējamos faktorus, kas rada kļūdas mērījumos).

Iegūtie rezultāti: skatīt attēlu

7. darbība: dažas eksperimenta piezīmes:

• Šķiet, ka iegūtie rezultāti atbilst teorijai.

• Šim eksperimentam izvēlētais objekts nav ideāls, es plānoju to atkārtot ar citiem, kas var projicēt labāk definētu ēnu un kas ir simetriski, lai izvairītos no iespējamām rotācijām kritiena laikā.

• Ideāli būtu novietot paneļa cauruli un laternu uz atsevišķiem galdiem, atstājot brīvu vietu uz leju.

• Eksperiments jāatkārto vairākas reizes, cenšoties kontrolēt iespējamos kļūdu cēloņus mērījumos, un jāizmanto statistikas metodes, lai iegūtu ticamākus rezultātus.

Ieteikumi materiāliem un instrumentiem šim projektam: Lai gan es uzskatu, ka jebkurš digitālais osciloskops, gaismas avots un saules panelis varētu darboties, šeit es izmantoju tos.

PIEDĀVĀTI OSCILLOSCOPE

SAULES PANELIS

TORCH

Visus materiālus un instrumentus, ko izmantoju savos projektos, var iegādāties, izmantojot Ebay. Noklikšķinot uz šīs saites un veicot pirkumu, jūs veicināsit nelielu komisijas maksu.

EBAY.com

Gaidīšu jūsu komentārus, jautājumus un ieteikumus.

Paldies un sekojiet maniem nākamajiem projektiem.