OBROTOMIERZ PANEL SŁONECZNY: 5 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:27

W INSTRUCTABLE „Panel słoneczny jako śledzenie cieni” przedstawiono eksperymentalną metodę określania prędkości obiektu na podstawie rzutu jego cienia na panel słoneczny. Czy można zastosować jakiś wariant tej metody do badania obiektów wirujących? Tak to mozliwe. Następnie zostanie zaprezentowana prosta aparatura doświadczalna, która umożliwi pomiar okresu i częstotliwości obrotu obiektu. Ten aparat doświadczalny może być używany podczas badań przedmiotu „Fizyka:Mechanika Klasyczna”, w szczególności podczas badania przedmiotu „Obrót obiektów sztywnych”. Jest potencjalnie przydatny dla studentów i doktorantów, podczas pokazów eksperymentalnych lub zajęć laboratoryjnych.

Krok 1: Kilka uwag teoretycznych

Gdy obiekt bryłowy obraca się wokół osi, jego części opisują obwody koncentryczne względem tej osi. Czas potrzebny jednej z tych stron na wypełnienie obwodu nazywany jest okresem rotacji. Okres i częstotliwość są wzajemnymi wielkościami. W międzynarodowym układzie jednostek okres jest podawany w sekundach (s), a częstotliwość w hercach (Hz). Niektóre przyrządy do pomiaru częstotliwości obrotów podają wartości w obrotach na minutę (rpm). Aby przekonwertować z Hz na rpm, po prostu pomnóż wartość przez 60, a otrzymasz rpm.

Krok 2: Materiały i instrumenty

• Mały panel słoneczny (100mm * 28mm)

• Lampa błyskowa typu LED

• Odblaskowa taśma samoprzylepna

• Czarna taśma elektryczna

• Kabel elektryczny

• Opaski

• Pistolet do gorącego silikonu

• lutownica i cyna

• Trzy kawałki drewna (45mm * 20mm * 10mm)

• Oscyloskop cyfrowy z sondą

• Obracający się obiekt, do którego chcesz zmierzyć jego częstotliwość obrotu

Krok 3: Zasada działania

Kiedy światło pada na obiekt, jedna jego część zostaje pochłonięta, a druga odbita. W zależności od właściwości powierzchni i koloru przedmiotu odbite światło może być mniej lub bardziej intensywne. Jeżeli w sposób arbitralny zmienimy charakterystykę części powierzchni, na przykład malując ją lub przyklejając do srebrnej lub czarnej taśmy samoprzylepnej, możemy celowo spowodować zmianę natężenia światła odbitego w tym obszarze. Tutaj nie robilibyśmy „ŚLEDZENIA CIENI”, ale powodowalibyśmy zmianę w charakterystyce odbitego światła. Jeśli obracający się obiekt jest oświetlony źródłem światła, a panel słoneczny jest prawidłowo umieszczony tak, że część odbitego światła pada na niego, na jego zaciskach musi pojawić się napięcie. To napięcie ma bezpośredni związek z natężeniem światła, które otrzymuje. Jeśli zmieniamy powierzchnię, zmienia się natężenie odbitego światła, a wraz z nim napięcie panelu. Panel ten może być podłączony do oscyloskopu i identyfikować zmiany napięcia w czasie. Jeśli potrafimy zidentyfikować spójną i powtarzalną zmianę krzywej, mierząc czas jej powtórzenia, określilibyśmy okres rotacji, a wraz z nim pośrednio częstotliwość rotacji, jeśli ją obliczymy. Niektóre oscyloskopy potrafią automatycznie obliczać te wartości, ale z punktu widzenia nauczania, opłacalne jest ich obliczanie przez uczniów. Aby uprościć tę eksperymentalną czynność, moglibyśmy początkowo użyć obiektów, które obracają się ze stałą prędkością obrotową i najlepiej symetrycznie względem swojej osi obrotu.

Zreasumowanie:

1. Przedmiot, który się obraca, odbija światło, które na niego pada.

2. Intensywność światła odbijanego przez obracający się przedmiot zależy od koloru i właściwości jego powierzchni.

3. Napięcie pojawiające się na panelu słonecznym zależy od intensywności odbitego światła.

4. W przypadku celowej zmiany właściwości części powierzchni zmieni się również natężenie światła odbitego od tej części, a wraz z nią napięcie w panelu słonecznym.

5. Okres ruchu obiektu podczas obrotu można określić mierząc za pomocą oscyloskopu czas, jaki upłynął między dwoma punktami o identycznych wartościach napięcia i zachowania.

Krok 4: Projekt, konstrukcja i wykonanie eksperymentu

1. Przylutuj dwa przewody elektryczne do panelu słonecznego. 2. Zakryj styki elektryczne na panelu gorącym silikonem, aby uniknąć zwarć.

3. Zbuduj drewnianą podporę, łącząc za pomocą gorącego silikonu lub innego kleju trzy kawałki drewna, jak widać na obrazku.

4. Przyklej panel słoneczny do drewnianego wspornika gorącym silikonem, jak pokazano na rysunku.

5. Przyklej latarnię do drewnianego wspornika, jak pokazano na rysunku i zabezpiecz ją plastikowymi opaskami.

6. Przymocuj przewody elektryczne panelu za pomocą innego kołnierza do drewnianego wspornika.

7. Wklej na obiekcie, który chcesz zbadać, pasek czarnej taśmy, a następnie srebrny pasek, jak widać na obrazku.

8. Rozpocznij obrót obiektu, który chcesz zbadać.

9. Prawidłowo podłączyć sondę oscyloskopową do przewodów panelu słonecznego.

10. Skonfiguruj prawidłowo oscyloskop. W moim przypadku podziały napięciowe wynosiły 500mv, a czasowe 25ms (zależy to od prędkości obrotowej obiektu).

11. Ustaw przyrząd doświadczalny, który właśnie zmontowałeś, w miejscu, w którym promienie światła odbijają się od obracającej się powierzchni i uderzają w panel słoneczny (pomóż sobie z tego, co widzisz na oscyloskopie, aby uzyskać krzywą z bardziej wyraźnymi zmianami).

12. Trzymaj aparaturę doświadczalną nieruchomą we właściwej pozycji przez kilka sekund, aby sprawdzić, czy wyniki krzywej pozostają stałe.

13. Zatrzymaj oscyloskop i przeanalizuj krzywą, aby określić, które pozycje odpowiadają czarnej taśmie, a które srebrnej. W moim przypadku odkąd badany przeze mnie silnik elektryczny był złoty, zmiany spowodowane przez taśmę stały się bardziej zauważalne.

14. Za pomocą kursorów oscyloskopu zmierzyć czas, jaki upłynął między punktami o równości faz, najpierw dla taśmy, a następnie dla srebrnej wstążki i porównać je (muszą być takie same).

15. Jeśli Twój oscyloskop nie obliczy automatycznie odwrotności okresu (częstotliwości), zrób to. Możesz pomnożyć poprzednią wartość przez 60 i w ten sposób uzyskać obroty.

16. Jeśli masz wartość kv lub obroty na wolt (w przypadku, gdy jest to silnik o takiej charakterystyce) pomnóż wartość kv przez napięcie wejściowe, porównaj wynik z uzyskanym podczas eksperymentu i uzyskaj wnioski.

Krok 5: Kilka uwag końcowych i zaleceń

• Wygodnie jest wstępnie sprawdzić stan kalibracji oscyloskopu, aby uzyskać wiarygodne wyniki (użyj sygnału kalibracyjnego oferowanego przez oscyloskop, który zwykle wynosi 1 kHz).
• Wyreguluj prawidłowo sondę oscyloskopową. Powinieneś zobaczyć prostokątne impulsy, które nie są zdeformowane, jeśli użyjesz sygnału generowanego przez sam oscyloskop (patrz rysunek).
• Zbadaj czas reakcji elektrycznej u producenta panelu słonecznego (arkusz danych). W moim przypadku był on znacznie niższy niż okres obrotu badanego przeze mnie silnika elektrycznego, więc nie brałem pod uwagę jego wpływu na dokonywane przeze mnie pomiary.
• Porównaj wyniki uzyskane tą metodą z wynikami uzyskanymi przy użyciu instrumentu komercyjnego i rozważ zalety i wady obu.

Jak zawsze będę zwracał uwagę na Twoje sugestie, komentarze i pytania. Powodzenia i śledź moje nadchodzące projekty!

Drugie miejsce w konkursie naukowym w klasie