PANEL SŁONECZNY JAKO ŚLEDZENIE CIENI: 7 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:28

Podstawową wielkością stosowaną w fizyce i innych naukach do opisu ruchu mechanicznego jest prędkość. Mierzenie go było powtarzającym się zajęciem na zajęciach eksperymentalnych. Zwykle używam kamery wideo i oprogramowania TRACKER do badania ruchu niektórych obiektów z moimi uczniami. Jedną z trudności, których doświadczyliśmy, jest to, że obiekty poruszające się ze stosunkowo dużymi prędkościami wydają się rozmazane w klatkach wideo, co wprowadza niepewność w pomiarach dokonywanych za pomocą oprogramowania. Najpopularniejszymi metodami i instrumentami do badania obiektów przy stosunkowo dużej prędkości są efekty DOPPLERA oraz czujniki optyczne sprzężone z chronografem.

W niniejszej INSTRUKCJI podchodzę do alternatywnej metody eksperymentalnej pomiaru średniej prędkości obiektu za pomocą panelu słonecznego i oscyloskopu. Ma zastosowanie na zajęciach laboratoryjnych z przedmiotu Fizyka (Mechanika Klasyczna), w szczególności w temacie: Kinematyka ruchu mechanicznego translacji. Zaproponowana metoda i jej eksperymentalne zastosowanie ma duże zastosowanie w innych zadaniach eksperymentalnych w ramach dyscypliny Fizyka dla nie-absolwentów i absolwentów. Może być również używany na innych kursach naukowych, na których badane są te treści.

Jeśli chcesz skrócić podstawy teoretyczne i przejść bezpośrednio do budowy aparatury doświadczalnej, sposobu wykonania pomiarów, potrzebnych materiałów i obrazów mojego projektu, przejdź bezpośrednio do kroku 6.

Krok 1: Trochę teorii:

„Prędkość” jest znana jako odległość przebyta przez obiekt w określonym przedziale czasu. Prędkość jest wielkością skalarną, czyli wielkością wektora prędkości, która wymaga również kierunku, w którym następują zmiany położenia. Porozmawiamy w tej INSTRUKCJI o mierzeniu prędkości, ale tak naprawdę będziemy mierzyć średnią prędkość.

Krok 2: Pomiar prędkości za pomocą panelu słonecznego?

Panele słoneczne to urządzenia działające na zasadzie efektu fotoelektrycznego, których główną funkcją jest krążenie prądu elektrycznego w obwodach, w których są używane. Na przykład panele słoneczne są wykorzystywane do obsługi niektórych rodzajów zegarków, ładowania wszelkiego rodzaju akumulatorów, także w systemach wytwarzania prądu przemiennego w sieci publicznej i w domach. Zastosowania jest wiele, jego cena na rynku jest coraz bardziej atrakcyjna i przyczynia się do zrównoważonego rozwoju, co jest świetne.

Ze względu na rozwój tej technologii, którą doświadczyliśmy, znajdujemy ją w wielu urządzeniach, na przykład ta, którą pokazuję, została wyjęta z taniej latarki, którą uratowałem, a teraz ma nowe zastosowanie.

Zasada jest podstawowa. Gdy światło jest rzutowane na panel, powoduje różnicę w potencjale elektrycznym (napięcie) na jego zaciskach. Po podłączeniu woltomierza można to łatwo zweryfikować. Ta różnica potencjałów jest odpowiedzialna za przepływ prądu elektrycznego, gdy podłączone jest urządzenie konsumenckie, na przykład rezystancja elektryczna. W zależności od „impedancji” obwodu i charakterystyki panelu, będzie krążył mniej lub więcej prądu. W odniesieniu do tego prądu, po podłączeniu odbiornika wystąpi spadek napięcia na zaciskach panelu słonecznego, ale jeśli impedancja pozostaje stała, napięcie jest również utrzymywane na stałym poziomie, o ile są również charakterystyki oświetlenia. Woltomierze mają na ogół wysoką impedancję, więc w niewielkim stopniu wpływają na napięcie mierzone za ich pomocą. Ale co się stanie, jeśli zmieni się oświetlenie?, podobnie jak napięcie i to jest zmienna, której będziemy używać.

Zreasumowanie:

• Panel słoneczny, gdy jest podświetlony, pokazuje na swoich zaciskach napięcie, które można zmierzyć woltomierzem.

• Napięcie nie zmienia się, jeśli impedancja obwodu i charakterystyka oświetlenia są utrzymywane na stałym poziomie (musi być w czułym widmie panelu, aby wystąpił efekt fotoelektryczny).

• Każda zmiana oświetlenia doprowadzi do zmiany napięcia, zmiennej, która zostanie później wykorzystana do uzyskania prędkości obiektów w eksperymentach.

W oparciu o poprzednie wskazania można sformułować następującą myśl:

Rzutowany cień obiektu poruszający się po panelu słonecznym spowoduje spadek napięcia na jego zaciskach. Czas potrzebny na zmniejszenie może być wykorzystany do obliczenia średniej prędkości, z jaką porusza się ten obiekt.

Krok 3: Wstępny eksperyment

W poprzednim filmie pokazano eksperymentalnie zasady, na których opiera się poprzedni pomysł.

Obraz przedstawia czas trwania zmiany napięcia, który został wykreślony przez oscyloskop. Odpowiednio konfigurując funkcję wyzwalacza można uzyskać wykres, do którego możemy zmierzyć czas, jaki upłynął podczas wariacji. W demonstracji zmienność wynosiła około 29,60 ms.

W rzeczywistości szkic tablicy w eksperymencie nie jest obiektem punktowym, ma wymiary. Lewy koniec gumki zaczyna rzucać swój cień na panel słoneczny i w konsekwencji zaczyna obniżać napięcie do wartości minimalnej. Kiedy gumka odsuwa się i panel zaczyna być ponownie wykrywany, widać wzrost napięcia. Całkowity zmierzony czas odpowiada czasowi, jaki zajęło projekcji cienia przejście całego panelu. Jeśli mierzymy długość obiektu (która powinna być równa rzutowi jego cienia, jeśli dołożymy odpowiednich starań) dodajemy ją z długością aktywnej strefy panelu i dzielimy ją na czas trwania zmiany napięcia, wtedy otrzymamy średnią prędkość tego obiektu. Gdy długość obiektu do pomiaru jego prędkości jest ilościowo większa niż aktywna strefa panelu, panel można uznać za obiekt punktowy bez wprowadzania zauważalnego błędu w pomiarach (oznacza to nie dodawanie jego długości do długości obiektu).

Zróbmy kilka obliczeń (patrz zdjęcie)

Krok 4: Aby zastosować tę metodę, należy wziąć pod uwagę pewne środki ostrożności

• Panel słoneczny musi być oświetlony przez źródło światła przewidziane w projekcie eksperymentalnym, unikając w miarę możliwości innych źródeł światła wpływających na niego.

• Promienie światła muszą padać prostopadle do powierzchni panelu słonecznego.

• Obiekt musi rzucać dobrze zdefiniowany cień.

• Powierzchnia panelu i płaszczyzna zawierająca kierunek ruchu muszą być równoległe.

Krok 5: Typowe ćwiczenie

Wyznacz prędkość spadającej piłki z wysokości 1m, rozważ prędkość początkową cero.

Jeśli piłka spada swobodnie, jest to bardzo proste: patrz zdjęcie

W rzeczywistych warunkach poprzednia wartość może być niższa ze względu na działanie tarcia z powietrzem. Określmy to eksperymentalnie.

Krok 6: Projekt, konstrukcja i wykonanie eksperymentu:

• Przyklej plastikową rurkę do aktywnego obszaru panelu słonecznego. • Przylutuj nowe przewody do zacisków panelu słonecznego, aby uniknąć fałszywych styków.

• Stwórz podporę dla zespołu panel słoneczny-rurka tak, aby można go było trzymać poziomo.

• Umieść latarkę lub inne źródło światła na innym wsporniku tak, aby projekcja emitowanego światła padała prostopadle na panel słoneczny.

• Sprawdź za pomocą multimetru, czy gdy światło uderza w panel słoneczny, rejestrowana jest stała wartość napięcia większa od zera.

• Umieść zespół panel słoneczny-rurka z przodu latarni, pozostawiając większy prześwit niż obiekt, którego prędkość chcesz zmierzyć. Staraj się trzymać jak najdalej źródło światła (latarka) od panelu słonecznego. Jeśli światło latarni tworzy pojedyncza dioda, tym lepiej.

• Zmierz odległość jednego metra od środka panelu słonecznego w górę i zaznacz na pręcie, ścianie lub podobnym miejscu.

• Podłącz sondę oscyloskopu do zacisków panelu słonecznego, przestrzegając biegunowości.

• Ustaw odpowiednio opcję TRIGGER na oscyloskopie, aby wszystkie zmiany napięcia mogły być rejestrowane podczas przechodzenia cienia na panel. W moim przypadku podziały czasu były w 5ms, a podziałki napięcia w skali 500mv. Linia zerowych napięć musiała być dostosowana w dół, aby wszystkie zmiany pasowały. Próg wyzwalania został umieszczony tuż poniżej początkowego napięcia stałego.

• Zmierz długość obiektu i aktywnej strefy panelu, dodaj je i zapisz do obliczenia prędkości.

• Zrzuć ciało z wysokości 1m tak, aby jego cień zakłócił wiązkę światła rzucaną przez latarnię.

• Zmierz czas zmiany napięcia za pomocą kursorów oscyloskopu na skali czasu.

• Podziel sumę wcześniej wykonanych odcinków pomiędzy czasem zmierzonym na oscyloskopie.

• Porównaj wartość z obliczeniami teoretycznymi i wyciągnij wnioski (uwzględnij możliwe czynniki, które wprowadzają błędy w pomiarze).

Uzyskane wyniki: patrz zdjęcie

Krok 7: Kilka uwag z eksperymentu:

• Otrzymane wyniki wydają się zgodne z teorią.

• Obiekt wybrany do tego eksperymentu nie jest idealny, planuję powtórzyć go z innymi, które mogą rzucać lepiej zdefiniowany cień i które są symetryczne, aby uniknąć ewentualnych obrotów podczas upadku.

• Idealnie byłoby umieścić panel-rurę i lampę na osobnych stołach, pozostawiając wolną przestrzeń na dole.

• Eksperyment należy powtórzyć kilkakrotnie, starając się kontrolować możliwe przyczyny błędów w pomiarach i zastosować metody statystyczne w celu uzyskania bardziej wiarygodnych wyników.

Propozycje materiałów i instrumentów do tego projektu: Chociaż uważam, że każdy oscyloskop cyfrowy, źródło światła i panel słoneczny mogą działać, oto te, których używam.

OSCYLOSKOP ATTEN

PANEL SŁONECZNY

POCHODNIA

Wszystkie materiały i narzędzia użyte w moich projektach można nabyć za pośrednictwem serwisu Ebay. Jeśli klikniesz poniższy link i dokonasz zakupu, przyczynisz się do uzyskania niewielkiej prowizji.

EBAY.pl

Czekam na Wasze komentarze, pytania i sugestie.

Dziękuję i śledź moje kolejne projekty.