PÄIKESEPANEEL VARJUJÄRGIJAKS: 7 sammu (piltidega)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:46

Füüsikas ja teistes teadustes mehaanilise liikumise kirjeldamiseks kasutatav põhiline suurusjärk on kiirus. Selle mõõtmine on olnud katsetundides korduv tegevus. Tavaliselt kasutan oma õpilastega teatud objektide liikumise uurimiseks videokaamerat ja tarkvara TRACKER. Üks raskusi, mida oleme kogenud, on: suhteliselt suure kiirusega liikuvad objektid tunduvad videokaadrites hägused, mis tekitab tarkvaraga tehtud mõõtmistes ebakindlust. Kõige tavalisemad meetodid ja instrumendid suhteliselt suure kiirusega objektide uurimiseks põhinevad DOPPLER -efektil ja optilistel anduritel koos kronograafiga.

Käesolevas juhendis lähenen alternatiivsele eksperimentaalsele meetodile objekti keskmise kiiruse mõõtmiseks päikesepaneeli ja ostsilloskoobi abil. Seda saab rakendada aine füüsika (klassikaline mehaanika) laboratoorsetes tundides, eriti teemas: Tõlke mehaanilise liikumise kinemaatika. Kavandatud meetod ja selle eksperimentaalne rakendus on tugevalt rakendatav muude füüsika distsipliini eksperimentaalsete ülesannete jaoks nii lõpetanutele kui ka lõpetajatele. Seda võib kasutada ka teistel teaduskursustel, kus seda sisu uuritakse.

Kui soovite lühendada teoreetilisi aluseid ja minna otse eksperimentaalse aparaadi ehituse juurde, kuidas teha mõõtmisi, vajalikke materjale ja minu disaini pilte, siis minge otse 6. sammu juurde.

Samm: mõni teooria:

"Kiirust" nimetatakse objekti poolt teatud ajavahemikus läbitud vahemaaks. Kiirus on skalaarne suurus, see on kiiruse vektori suurus, mis nõuab ka positsiooni muutuste suunda. Me räägime selles juhendis kiiruse mõõtmiseks, kuid me mõõdame tõesti keskmist kiirust.

2. samm: kiiruse mõõtmine päikesepaneeliga?

Päikesepaneelid on seadmed, mis töötavad fotoelektrilise efekti põhimõttel ja mille peamine ülesanne on elektrivoolu ringlus ahelates, milles neid kasutatakse. Näiteks kasutatakse päikesepaneele teatud tüüpi kellade käitamiseks, igasuguste akude laadimiseks, ka avaliku võrgu vahelduvvoolu genereerimissüsteemides ja kodudes. Rakendusi on palju, selle hind turul on üha atraktiivsem ja aitab kaasa säästvale arengule, mis on suurepärane.

Tänu selle tehnoloogia arengule oleme kogenud, et me leiame selle paljudest seadmetest, näiteks see, mida ma teile näitan, eraldati odavalt taskulambist, mille ma salvestasin ja millel on nüüd uus kasutus.

Põhimõte on põhiline. Kui valgus projitseeritakse üle paneeli, põhjustab see klemmides elektrilise potentsi (pinge) erinevuse. Kui voltmeeter on ühendatud, on seda lihtne kontrollida. See potentsiaalide erinevus vastutab elektrivoolu ringluse eest, kui tarbijaseade on ühendatud, näiteks elektriline takistus. Sõltuvalt ahela "impedantsist" ja paneeli omadustest ringleb see enam -vähem voolu. Selle vooluga seoses tekib pingelangus päikesepaneeli klemmides, kui tarbija on ühendatud, kuid kui takistus jääb konstantseks, hoitakse ka pinge konstantsena, kuni valgustuse omadused on samuti olemas. Voltmeetritel on üldiselt kõrge takistus, nii et need mõjutavad nendega mõõdetavat pinget väga vähe. Aga mis juhtub, kui valgustus muutub ?, nii muutub ka pinge ja see on muutuja, mida me kasutame.

Kokkuvõtteks:

• Päikesepaneel valgustab selle klemmidel pinget, mida saab voltmeetriga mõõta.

• Pinge ei muutu, kui vooluahela impedantsi ja valgustusomadusi hoitakse konstantsena (fotoelektrilise efekti tekkimiseks peab see olema paneeli tundlikus spektris).

• Valgustuse muutmine toob kaasa pinge kõikumise, muutuja, mida kasutatakse hiljem katsete objektide kiiruse saamiseks.

Eelnevate ettekirjutuste põhjal võib sõnastada järgmise idee:

Päikesepaneelil liikuv eseme prognoositav varjund vähendab selle klemmipinget. Vähendamiseks kuluvat aega saab kasutada objekti keskmise liikumiskiiruse arvutamiseks.

3. samm: esialgne katse

Eelmises videos on eksperimentaalselt näidatud põhimõtteid, millel eelmine idee põhineb.

Pildil on ostsilloskoobi abil joonistatud pinge muutumise kestus. Päästikufunktsiooni õigesti konfigureerides saate graafiku, mille abil saame mõõta variatsiooni ajal kulunud aega. Demonstratsioonil oli variatsioon ligikaudu 29,60 ms.

Tegelikult pole katse tahvli mustand punktobjekt, sellel on mõõtmed. Kustutuskummi vasak ots hakkab projitseerima oma varju päikesepaneelile ja järelikult hakkab pinge alandama miinimumväärtuseni. Kui kustutuskumm eemaldub ja paneeli hakatakse uuesti avastama, on näha pinge suurenemist. Mõõdetud koguaeg vastab ajale, mis kulus varju projektsioonil kogu paneeli läbimiseks. Kui me mõõdame objekti pikkust (mis peaks teatud hoolitsuste korral olema võrdne selle varju projektsiooniga), lisame selle paneeli aktiivse tsooni pikkusega ja jagame selle pinge kõikumise kestuse vahel, siis saame selle objekti kiiruse keskmise. Kui objekti pikkus selle kiiruse mõõtmiseks on kvantitatiivselt suurem kui paneeli aktiivne tsoon, võib paneeli lugeda punktobjektiks ilma mõõtmistes märkimisväärset viga esitamata (see tähendab, et selle pikkust ei lisata objekti pikkusele).

Teeme mõned arvutused (vt pilti)

Samm: selle meetodi rakendamiseks tuleb arvesse võtta mõningaid ettevaatusabinõusid

• Päikesepaneel peab olema valgustatud katselises disainis oleva valgusallikaga, vältides nii palju kui võimalik teisi seda mõjutavaid valgusallikaid.

• Valguskiired peavad lööma päikesepaneeli pinnaga risti.

• Objekt peab projitseerima täpselt määratletud varju.

• Paneeli pind ja liikumissuunda sisaldav tasand peavad olema paralleelsed.

Samm: tüüpiline harjutus

Määrake kukkuva palli kiirus 1 meetri kõrguselt, arvestage algkiiruse ceroga.

Kui pall langeb vabalangemisel, on see väga lihtne: vt pilti

Reaalsetes tingimustes võib eelmine väärtus olla väiksem õhuga hõõrdumise tõttu. Määrame selle eksperimentaalselt.

6. etapp: katse kavandamine, ehitamine ja teostamine:

• Kleepige plasttoru päikesepaneeli aktiivsele alale. • Jootke uued juhtmed päikesepaneeli klemmide külge, et vältida valekontakte.

• Looge päikesepaneelide ja torude sõlmele tugi, et seda saaks horisontaalselt hoida.

• Asetage taskulamp või muu valgusallikas teisele toele nii, et kiirgava valguse projektsioon tabab päikesepaneeli risti.

• Kontrollige multimeetriga, et kui päikesepaneelile süttib valgus, registreeritakse nullist suurem püsiv pinge.

• Asetage päikesepaneelide toru koostu laterna esiküljele, jättes rohkem vaba ruumi kui objekt, mille kiirust soovite mõõta. Püüdke hoida valgusallikas (taskulamp) päikesepaneelist võimalikult kaugel. Kui laterna valgus on loodud ühe lediga, seda parem.

• Mõõtke päikesepaneeli keskelt ja ülespoole ühe meetri kauguselt ning märkige see vardasse, seina vms.

• Ühendage ostsilloskoobi sond päikesepaneeli klemmidega, järgides polaarsust.

• Seadistage ostsilloskoopil valik TRIGGER õigesti, nii et kõik pinge kõikumised oleksid salvestatavad paneeli varju läbimise ajal. Minu puhul olid ajajaotused 5 ms ja pingejaotused skaalal 500 mv. Nullpingete joont tuli reguleerida allapoole, et kõik variatsioonid sobiksid. Päästiku künnis asetati vahetult esialgse konstantse pinge alla.

• Mõõtke objekti ja paneeli aktiivse tsooni pikkus, lisage need ja kirjutage see kiiruse arvutamiseks üles.

• Langetage keha 1 m kõrguselt, nii et selle vari katkestab laterna poolt projitseeritud valgusvihu.

• Mõõtke pinge muutumise aega ostsilloskoobi kursoritega ajaskaalal.

• Jagage eelnevalt tehtud pikkuste summa ostsilloskoobis mõõdetud aja vahel.

• Võrrelge väärtust teoreetiliste arvutustega ja tehke järeldusi (võtke arvesse võimalikke tegureid, mis toovad kaasa mõõtmisel vigu).

Saadud tulemused: vaata pilti

Samm: mõned katse märkused:

• Saadud tulemused näivad olevat teooriaga kooskõlas.

• Selle katse jaoks valitud objekt ei ole ideaalne, kavatsen seda korrata teistega, mis suudavad projitseerida paremini määratletud varju ja mis on sümmeetrilised, et vältida võimalikke pöörlemisi kukkumise ajal.

• Ideaalne oleks olnud paneelitoru ja latern paigutada eraldi laudadele, jättes vaba ruumi allapoole.

• Katse tuleks korrata mitu korda, püüdes kontrollida mõõtmiste vigade võimalikke põhjuseid ja usaldusväärsemate tulemuste saamiseks tuleks kasutada statistilisi meetodeid.

Ettepanekud selle projekti materjalide ja instrumentide kohta: Kuigi ma usun, et iga digitaalne ostsilloskoop, valgusallikas ja päikesepaneel võiks töötada, on siin need, mida ma kasutan.

OSTUSKLOSKOOP

PÄIKESEPANEEL

TORCH

Kõiki minu projektides kasutatud materjale ja tööriistu saab osta Ebay kaudu. Kui klõpsate järgmisel lingil ja ostate, aitate kaasa väikese vahendustasu saamisele.

EBAY.com

Jään teie kommentaare, küsimusi ja ettepanekuid ootama.

Tänan teid ja jätkake minu järgmiste projektidega.