TAHOMETER SONČNE PLOŠČE: 5 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:02

V INSTRUCTABLE "Solar Panel as a Shadow Tracker" je bila predstavljena eksperimentalna metoda za določanje hitrosti predmeta iz projekcije njegove sence na sončno ploščo. Ali je mogoče uporabiti kakšno različico te metode za preučevanje vrtečih se predmetov? Da, možno je. Nato bo predstavljen preprost eksperimentalni aparat, ki bo omogočil merjenje obdobja in pogostosti vrtenja predmeta. Ta eksperimentalni aparat se lahko uporablja med študijem predmeta "Fizika: klasična mehanika", zlasti med študijem teme "Rotacija togih predmetov". Potencialno je uporaben pri dodiplomskih in podiplomskih študentih, med poskusnimi demonstracijami ali laboratorijskimi tečaji.

1. korak: Nekaj teoretičnih zapiskov

Ko se trden predmet vrti okoli osi, njegovi deli opisujejo obsege, koncentrične na to os. Čas, ki ga ena od teh strank dokonča, se imenuje obdobje rotacije. Obdobje in pogostost sta vzajemni velikosti. V mednarodnem sistemu enot je obdobje podano v sekundah in frekvenca v hercih (Hz). Nekateri instrumenti za merjenje frekvence vrtenja dajejo vrednosti v vrtljajih na minuto (rpm). Če želite pretvoriti iz Hz v število vrtljajev na minuto, preprosto pomnožite vrednost s 60 in dobili boste število vrtljajev na minuto.

2. korak: Materiali in instrumenti

• Majhna sončna plošča (100 mm * 28 mm)

• LED svetilka

• Odsevni lepilni trak

• Črni električni trak

• Električni kabel

• Kablske vezi

• Vroča silikonska pištola

• spajkalnik in kositer

• Trije kosi lesa (45 mm * 20 mm * 10 mm)

• Digitalni osciloskop s sondo

• Vrteči se predmet, na katerega želite izmeriti njegovo frekvenco vrtenja

3. korak: Načelo delovanja

Ko svetloba udari v predmet, se en del absorbira, drugi pa se odbije. Odvisno od lastnosti površine in barve predmeta je lahko ta odsevna svetloba bolj ali manj intenzivna. Če se značilnosti dela površine poljubno spremenijo, recimo z barvanjem ali z lepljenjem na srebrni ali črni lepilni trak, bi lahko namerno povzročili spremembo jakosti svetlobe, ki se odbija na tem področju. Tu ne bi izvajali "Sledovanja senc", ampak bi povzročili spremembo lastnosti odsevne svetlobe. Če predmet pri vrtenju osvetli vir svetlobe in je sončna plošča pravilno nameščena, tako da del odbite svetlobe pade nanjo, se mora na njegovih sponkah pojaviti napetost. Ta napetost je neposredno odvisna od jakosti svetlobe, ki jo prejme. Če spremenimo površino, se intenzivnost odbite svetlobe spremeni in s tem tudi napetost plošče. To ploščo lahko povežemo z osciloskopom in ugotovimo spremembe napetosti glede na čas. Če lahko v krivulji prepoznamo koherentno in ponavljajočo se spremembo, merimo čas, ki je potreben, da se ponovi, bi določili obdobje vrtenja in z njim posredno, če ga izračunamo. Nekateri osciloskopi lahko te vrednosti samodejno izračunajo, vendar je z vidika poučevanja za študente produktivno, da jih izračunajo. Za poenostavitev te eksperimentalne dejavnosti bi lahko sprva uporabili predmete, ki se vrtijo pri konstantnih vrtljajih in po možnosti simetrično glede na svojo os vrtenja.

Če povzamemo:

1. Predmet, ki se neprekinjeno vrti, odbija svetlobo, ki pada nanj.

2. Intenzivnost svetlobe, ki jo odbija vrtljivi predmet, je odvisna od barve in značilnosti njegove površine.

3. Napetost, ki se pojavi na sončni plošči, je odvisna od jakosti odbite svetlobe.

4. Če se lastnosti dela površine namerno spremenijo, se bo spremenila tudi svetlobna jakost svetlobe, ki se odseva v tem delu, s tem pa tudi napetost v sončni plošči.

5. Obdobje predmeta med vrtenjem lahko določimo z merjenjem časa, ki je pretekel med dvema točkama z enakimi vrednostmi napetosti in obnašanja s pomočjo osciloskopa.

4. korak: Oblikovanje, izdelava in izvedba poskusa

1. Prilepite dva električna vodnika na sončno ploščo. 2. Električne kontakte na plošči pokrijte z vročim silikonom, da se izognete kratkemu stiku.

3. Leseno oporo sestavite tako, da z vročim silikonom ali drugim lepilom spojite tri kose lesa, kot je prikazano na sliki.

4. Z vročim silikonom prilepite solarno ploščo na leseno oporo, kot je prikazano na sliki.

5. Svetilko prilepite na leseno oporo, kot je prikazano na sliki, in jo pritrdite s plastičnimi vezmi.

6. Električne vodnike plošče pritrdite z drugo prirobnico na leseno oporo.

7. Na predmet, ki ga želite preučiti, prilepite trak črnega traku in nato srebrni pas, kot je prikazano na sliki.

8. Začnite vrtenje predmeta, ki ga želite preučiti.

9. Sondo osciloskopa pravilno priključite na vodnike sončne celice.

10. Pravilno nastavite osciloskop. V mojem primeru so bile napetostne delitve 500 mv in časovne delitve 25 ms (odvisno od hitrosti vrtenja predmeta).

11. Poskusni aparat, ki ste ga pravkar sestavili, postavite na mesto, kjer se svetlobni žarki odbijajo na površini, ki se vrti in zadene sončno ploščo (pomagajte si s tem, kar vidite v osciloskopu, da dobite krivuljo z izrazitejšimi spremembami).

12. Poskusni aparat držite nekaj sekund v pravilnem položaju, da preverite, ali rezultati krivulje ostanejo konstantni.

13. Ustavite osciloskop in analizirajte krivuljo, da ugotovite, kateri položaji ustrezajo črnemu traku in kateri srebrnemu traku. V mojem primeru, ker je bil elektromotor, ki sem ga študiral, zlati, so spremembe, ki jih je povzročil trak, postale bolj opazne.

14. S kazalci osciloskopa izmerite pretečeni čas med točkami s fazno enakostjo, najprej za trak, nato za srebrni trak in jih primerjajte (morata biti enaka).

15. Če vaš osciloskop ne izračuna samodejno obratno obdobje (frekvenco), naredite to. Prejšnjo vrednost lahko pomnožite s 60 in tako dobite vrtljaje.

16. Če imate vrednost kv ali število vrtljajev na volt (v primeru, da gre za motor, ki ponuja te lastnosti), vrednost kv pomnožite z vhodno napetostjo, primerjajte rezultat z rezultatom, ki ste ga dobili med poskusom, in pridete do sklepe.

5. korak: Nekaj zaključnih opomb in priporočil

• Priročno je najprej preveriti stanje umerjanja vašega osciloskopa, da dobite zanesljive rezultate (uporabite kalibracijski signal, ki ga ponuja osciloskop, ki je običajno 1 kHz).
• Sondo osciloskopa pravilno nastavite. Če uporabite signal, ki ga ustvari sam osciloskop, bi morali videti pravokotni impulzi (glej sliko).
• Raziščite električni odzivni čas pri proizvajalcu vaše sončne celice (podatkovni list). V mojem primeru je bil precej nižji od obdobja vrtenja elektromotorja, ki sem ga študiral, zato nisem upošteval njegovega vpliva na meritve, ki sem jih opravil.
• Primerjajte rezultate, pridobljene s to metodo, z rezultati, pridobljenimi s komercialnim instrumentom, in upoštevajte prednosti in slabosti obeh.

Kot vedno bom pozoren na vaše predloge, pripombe in vprašanja. Vso srečo in nadaljujte z mojimi prihajajočimi projekti!

Drugouvrščeni na tekmovanju v naravoslovju