СОЛНЕЧНЫЙ ТАХОМЕТР: 5 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:48

В ИНСТРУКЦИИ «Солнечная панель как средство отслеживания тени» был представлен экспериментальный метод определения скорости объекта по проекции его тени на солнечную панель. Можно ли применить какой-либо вариант этого метода для изучения вращающихся объектов? Да, это возможно. Далее будет представлена простая экспериментальная установка, которая позволит измерять период и частоту вращения объекта. Данная экспериментальная установка может быть использована при изучении предмета «Физика: Классическая механика», в частности при изучении темы «Вращение твердых объектов». Это потенциально полезно для студентов и аспирантов во время экспериментальных демонстраций или лабораторных занятий.

Шаг 1. Некоторые теоретические заметки

Когда твердый объект вращается вокруг оси, его части описывают окружности, концентрические относительно этой оси. Время, необходимое одной из этих сторон для завершения окружности, называется периодом вращения. Период и частота являются обратными величинами. В Международной системе единиц период указывается в секундах (с), а частота - в герцах (Гц). Некоторые инструменты для измерения частоты вращения выдают значения в оборотах в минуту (об / мин). Чтобы преобразовать Гц в об / мин, просто умножьте значение на 60, и вы получите об / мин.

Шаг 2: материалы и инструменты

• Маленькая солнечная панель (100 мм * 28 мм)

• Светодиодный фонарик

• Светоотражающая клейкая лента.

• Черная изолента.

• Электрический кабель

• Кабельные стяжки

• Пистолет для горячего силикона.

• Паяльник и олово

• Три куска дерева (45 мм * 20 мм * 10 мм)

• Цифровой осциллограф с пробником

• Вращающийся объект, для которого вы хотите измерить частоту его вращения.

Шаг 3: Принцип работы

Когда свет падает на объект, одна его часть поглощается, а другая отражается. В зависимости от характеристик поверхности и цвета объекта этот отраженный свет может быть более или менее интенсивным. Если характеристики части поверхности изменяются произвольно, скажем, окрашивая ее или наклеивая на серебряную или черную липкую ленту, мы можем намеренно вызвать изменение интенсивности света, отраженного в этой области. Здесь мы не выполняем «ОТСЛЕЖИВАНИЕ ТЕНЕЙ», но мы вызываем изменение характеристик отраженного освещения. Если вращающийся объект освещается источником света и солнечная панель размещена должным образом, так что часть отраженного света падает на него, на его выводах должно появиться напряжение. Это напряжение напрямую зависит от интенсивности получаемого света. Если мы изменим поверхность, изменится интенсивность отраженного света, а вместе с ней и напряжение панели. Эта панель может быть подключена к осциллографу и определять изменения напряжения во времени. Если мы сможем идентифицировать когерентное и повторяющееся изменение кривой, измеряя время, необходимое для повторения самого себя, мы бы косвенно определили период вращения, а вместе с ним и частоту вращения, если мы ее вычислим. Некоторые осциллографы могут автоматически вычислять эти значения, но с точки зрения обучения ученики могут их вычислить продуктивно. Чтобы упростить эту экспериментальную деятельность, мы могли бы изначально использовать объекты, которые вращаются с постоянной скоростью и предпочтительно симметричны относительно его оси вращения.

Резюмируя:

1. Непрерывно вращающийся объект отражает падающий на него свет.

2. Интенсивность света, отражаемого вращающимся объектом, зависит от цвета и характеристик его поверхности.

3. Напряжение, которое появляется на солнечной панели, зависит от интенсивности отраженного света.

4. Если характеристики части поверхности намеренно изменены, сила света, отраженного в этой части, также изменится, а вместе с ней и напряжение в солнечной панели.

5. Период объекта во время вращения может быть определен путем измерения времени, прошедшего между двумя точками с одинаковыми значениями напряжения и поведения с помощью осциллографа.

Шаг 4: Дизайн, построение и проведение эксперимента

1. Припаяйте два электрических проводника к солнечной панели. 2. Закройте электрические контакты на панели горячим силиконом, чтобы избежать короткого замыкания.

3. Создайте деревянную опору, соединив с помощью горячего силикона или другого клея три куска дерева, как показано на изображении.

4. Приклейте солнечную панель к деревянной опоре горячим силиконом, как показано на рисунке.

5. Прикрепите фонарь к деревянной опоре, как показано на рисунке, и закрепите пластиковыми стяжками.

6. Закрепите электрические провода панели другим фланцем на деревянной опоре.

7. Наклейте на объект, который вы хотите изучить, полосу черной ленты, а затем серебряную полосу, как показано на изображении.

8. Начните вращение объекта, который хотите изучить.

9. Правильно подсоедините щуп осциллографа к проводам солнечной панели.

10. Правильно настройте осциллограф. В моем случае деление напряжения составляло 500 мВ, а деление времени - 25 мс (это будет зависеть от скорости вращения объекта).

11. Поместите экспериментальный прибор, который вы только что собрали, в положение, где лучи света отражаются от вращающейся поверхности и попадают на солнечную панель (помогите себе в том, что вы видите в осциллографе, чтобы получить кривую с более выраженными изменениями).

12. Удерживайте экспериментальный прибор в правильном положении в течение нескольких секунд, чтобы увидеть, остаются ли результаты кривой постоянными.

13. Остановите осциллограф и проанализируйте кривую, чтобы определить, какие позиции соответствуют черной ленте, а какие - серебряной. В моем случае, поскольку электродвигатель, который я изучал, был золотым, изменения, вызванные лентой, стали более заметными.

14. С помощью курсоров осциллографа измерьте время, прошедшее между точками с равенством фаз, сначала для ленты, а затем для серебряной ленты, и сравните их (они должны быть одинаковыми).

15. Если ваш осциллограф не вычисляет автоматически обратную величину периода (частоты), сделайте это. Вы можете умножить предыдущее значение на 60 и таким образом получить число оборотов в минуту.

16. Если у вас есть значение kv или оборотов на вольт (в случае, если это двигатель, который предлагает эти характеристики), умножьте значение kv на входное напряжение, сравните результат с результатом, полученным вами во время эксперимента, и получите выводы.

Шаг 5: некоторые заключительные примечания и рекомендации

• Для получения надежных результатов удобно сначала проверить состояние калибровки осциллографа (используйте калибровочный сигнал осциллографа, который обычно составляет 1 кГц).
• Правильно отрегулируйте пробник осциллографа. Если вы используете сигнал, генерируемый самим осциллографом, вы должны увидеть неискаженные прямоугольные импульсы (см. Изображение).
• Узнайте время электрического отклика у производителя вашей солнечной панели (техническое описание). В моем случае он был намного меньше периода вращения электродвигателя, который я изучал, поэтому я не учел его влияние на сделанные мной измерения.
• Сравните результаты, полученные этим методом, с результатами, полученными с помощью коммерческого прибора, и рассмотрите преимущества и недостатки обоих.

Как всегда, буду внимательно относиться к вашим предложениям, комментариям и вопросам. Удачи и не отставайте от моих будущих проектов!

Финалист в конкурсе классных наук