СОЛНЕЧНАЯ ПАНЕЛЬ КАК ТРЕКЕР ТЕНЕЙ: 7 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:49

Фундаментальная величина, используемая в физике и других науках для описания механического движения, - это скорость. Измерение этого показателя было постоянной деятельностью в экспериментальных классах. Обычно я использую видеокамеру и программное обеспечение TRACKER для изучения движения определенных объектов с моими учениками. Одна из трудностей, с которыми мы столкнулись, заключается в том, что объекты, которые движутся с относительно высокой скоростью, кажутся размытыми на видеокадрах, что вносит неопределенность в измерения, сделанные с помощью программного обеспечения. Наиболее распространенные методы и инструменты для исследования объектов на относительно высокой скорости основаны на эффекте ДОПЛЕРА и оптических датчиках в сочетании с хронографом.

В настоящей ИНСТРУКЦИИ я подхожу к альтернативному экспериментальному методу измерения средней скорости объекта с использованием солнечной панели и осциллографа. Применимо на лабораторных занятиях по предмету Физика (Классическая механика), в частности по теме: Кинематика механического движения перевода. Предлагаемый метод и его экспериментальное применение могут быть применены к другим экспериментальным задачам в рамках дисциплины «Физика» для аспирантов и аспирантов. Его также можно использовать в других научных курсах, где изучается это содержание.

Если вы хотите сократить теоретические основы и перейти непосредственно к конструкции экспериментального устройства, как проводить измерения, необходимые материалы и изображения моей конструкции, перейдите непосредственно к шагу 6.

Шаг 1: Немного теории:

«Скорость» известна как расстояние, пройденное объектом за определенный промежуток времени. Скорость - это скалярная величина, то есть величина вектора скорости, которая также требует направления, в котором происходят изменения положения. В этой ИНСТРУКЦИИ мы поговорим об измерении скорости, но на самом деле мы будем измерять среднюю скорость.

Шаг 2: Измерение скорости с помощью солнечной панели?

Солнечные панели - это устройства, которые работают по принципу фотоэлектрического эффекта и чья основная функция заключается в циркуляции электрического тока в цепях, в которых они используются. Например, солнечные панели используются для управления часами определенных типов, зарядки батарей всех типов, а также в системах генерации переменного тока для сетей общего пользования и в домах. Применений много, его цена на рынке становится все более привлекательной и способствует устойчивому развитию, и это здорово.

Благодаря опыту развития этой технологии, мы находим ее во многих устройствах, например, тот, который я вам показываю, был извлечен из дешевого фонарика, который я сохранил и теперь имеет новое применение.

Принцип основной. Когда свет проецируется на панель, он вызывает разницу в электрическом потенциале (напряжении) на ее выводах. Когда подключен вольтметр, это легко проверить. Эта разница потенциалов отвечает за циркуляцию электрического тока, когда подключено потребительское устройство, например, электрическое сопротивление. В зависимости от «импеданса» цепи и характеристик панели, по ней будет циркулировать больший или меньший ток. По отношению к этому току на клеммах солнечной панели будет наблюдаться падение напряжения после подключения потребителя, но если импеданс остается постоянным, напряжение также остается постоянным, пока сохраняются характеристики освещения. Вольтметры обычно имеют высокий импеданс, поэтому они очень мало влияют на измеряемое с их помощью напряжение. Но что произойдет, если освещение изменится? Как и напряжение, и это переменная, которую мы будем использовать.

Резюмируя:

• Солнечная панель при включении показывает напряжение на своих выводах, которое можно измерить с помощью вольтметра.

• Напряжение не изменяется, если импеданс цепи и характеристики освещения остаются постоянными (должны находиться в чувствительном спектре панели, чтобы возник фотоэлектрический эффект).

• Любое изменение освещения приведет к изменению напряжения, переменной, которая будет использоваться позже для получения скорости объектов в экспериментах.

На основе предыдущих заповедей можно сформулировать следующую идею:

Спроецированная тень объекта, движущегося по солнечной панели, вызовет снижение напряжения на его клеммах. Время, необходимое для уменьшения, можно использовать для расчета средней скорости, с которой движется этот объект.

Шаг 3: начальный эксперимент

В предыдущем видео экспериментально показаны принципы, на которых основана предыдущая идея.

На изображении показано время, в течение которого продолжалось изменение напряжения, которое было построено осциллографом. Правильно настроив функцию триггера, вы можете получить график, на котором мы можем измерить время, прошедшее во время изменения. В демонстрации отклонение составило примерно 29,60 мс.

Собственно, чертёж доски в эксперименте не точечный объект, он имеет размеры. Левый конец ластика начинает проецировать свою тень на солнечную панель и, следовательно, начинает снижать напряжение до минимального значения. Когда ластик отодвигается и панель снова начинает обнаруживаться, наблюдается повышение напряжения. Общее измеренное время соответствует времени, которое потребовалось проекции тени для прохождения всей панели. Если мы измеряем длину объекта (которая должна быть равна проекции его тени, если мы позаботимся об этом), мы добавляем ее к длине активной зоны панели и делим ее между временем, в течение которого длилось изменение напряжения, тогда мы получим среднюю скорость этого объекта. Когда длина объекта для измерения его скорости количественно превышает активную зону панели, панель можно рассматривать как точечный объект без внесения заметной ошибки в измерения (это означает, что ее длина не прибавляется к длине объекта)..

Сделаем некоторые расчеты (см. Рис.)

Шаг 4. Чтобы применить этот метод, необходимо принять некоторые меры предосторожности

• Солнечная панель должна освещаться источником света, предусмотренным в проекте эксперимента, избегая, насколько это возможно, других источников света, влияющих на нее.

• Лучи света должны падать перпендикулярно поверхности солнечной панели.

• Объект должен проецировать четко выраженную тень.

• Поверхность панели и плоскость, определяющая направление движения, должны быть параллельны.

Шаг 5: типичное упражнение

Определите скорость падающего шара с высоты 1 м, учитывая начальную скорость cero.

Если мяч падает в свободном падении, это очень просто: см. Рис.

В реальных условиях предыдущее значение может быть ниже из-за действия трения с воздухом. Определим экспериментально.

Шаг 6: Дизайн, построение и проведение эксперимента:

• Прикрепите пластиковую трубку к активной области солнечной панели. • Припаяйте новые выводы к клеммам солнечной панели, чтобы избежать ложных контактов.

• Создайте опору для сборки солнечной панели и трубки, чтобы ее можно было удерживать горизонтально.

• Поместите фонарик или другой источник света на другую подставку так, чтобы луч излучаемого света попадал на солнечную панель перпендикулярно.

• Проверьте с помощью мультиметра, что при попадании света на солнечную панель регистрируется постоянное значение напряжения больше нуля.

• Поместите блок солнечной панели и трубки на переднюю часть фонаря, оставив зазор больше, чем объект, скорость которого вы хотите измерить. Постарайтесь как можно дальше отодвинуть источник света (фонарик) от солнечной панели. Если свет фонаря создается одним светодиодом, тем лучше.

• Измерьте расстояние в один метр от центра солнечной панели вверх и отметьте его на стержне, стене или подобном предмете.

• Подключите щуп осциллографа к клеммам солнечной панели, соблюдая полярность.

• Правильно установите параметр TRIGGER на осциллографе, чтобы можно было записать все изменения напряжения во время прохождения тени на панели. В моем случае деление времени составляло 5 мс, а деление напряжения на шкале - 500 мВ. Линию нулевых напряжений пришлось отрегулировать вниз, чтобы уместились все вариации. Порог срабатывания был помещен чуть ниже начального постоянного напряжения.

• Измерьте длину объекта и активной зоны панели, сложите их и запишите для расчета скорости.

• Бросьте тело с высоты 1 м так, чтобы его тень прервала луч света, излучаемый фонарем.

• Измерьте время изменения напряжения курсорами осциллографа на временной шкале.

• Разделите сумму ранее сделанных длин между временем, измеренным на осциллографе.

• Сравните полученное значение с теоретическими расчетами и сделайте выводы (примите во внимание возможные факторы, которые вносят ошибки в измерения).

Полученные результаты: см. Рис.

Шаг 7: Некоторые заметки об эксперименте:

• Полученные результаты кажутся правильными в соответствии с теорией.

• Объект, выбранный для этого эксперимента, не идеален, я планирую повторить его с другими, которые могут проецировать более четкую тень и являются симметричными, чтобы избежать возможных поворотов во время падения.

• Идеально было бы разместить панель-трубу и фонарь на отдельных столах, оставляя свободное пространство внизу.

• Эксперимент следует повторить несколько раз, пытаясь контролировать возможные причины ошибок в измерениях, и следует использовать статистические методы для получения более надежных результатов.

Предложения по материалам и инструментам для этого проекта: Хотя я считаю, что любой цифровой осциллограф, источник света и солнечная панель могут работать, вот те, которые я использую.

ОСЦИЛЛОСКОП ATTEN

СОЛНЕЧНАЯ ПАНЕЛЬ

ФАКЕЛ

Все материалы и инструменты, используемые в моих проектах, можно приобрести на Ebay. Если вы нажмете на следующую ссылку и сделаете покупку, вы внесете свой вклад, чтобы получить небольшую комиссию.

EBAY.com

Жду ваших комментариев, вопросов и предложений.

Спасибо и следите за моими следующими проектами.