SOLÁRNY PANEL AKO SLEDOVAČ TIEN: 7 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:56

Základnou veličinou používanou vo fyzike a iných vedách na opis mechanického pohybu je rýchlosť. Meranie bolo v experimentálnych triedach opakujúcou sa aktivitou. Na štúdium pohybu určitých predmetov so svojimi študentmi zvyčajne používam videokameru a softvér TRACKER. Jednou z ťažkostí, s ktorými sme sa stretli, je: objekty, ktoré sa pohybujú relatívne vysokou rýchlosťou, sú vo video snímkach rozmazané, čo spôsobuje neistotu v meraniach vykonaných pomocou softvéru. Najbežnejšie metódy a nástroje na štúdium predmetov s relatívne vysokou rýchlosťou sú založené na DOPPLERovom efekte a optických snímačoch spojených s chronografom.

V tomto NÁVODE pristupujem k alternatívnej experimentálnej metóde na meranie priemernej rýchlosti objektu pomocou solárneho panelu a osciloskopu. Je použiteľný v laboratórnych hodinách predmetu Fyzika (klasická mechanika), najmä v téme: Kinematika mechanického pohybu prekladu. Navrhovaná metóda a jej experimentálna aplikácia sú silne aplikovateľné na ďalšie experimentálne úlohy v rámci fyzikálnej disciplíny pre neabsolvovaných a absolventských študentov. Možno sa používa aj v iných prírodovedných kurzoch, kde sa tento obsah študuje.

Ak chcete skrátiť teoretické základy a prejsť priamo na konštrukciu experimentálneho zariadenia, ako vykonať merania, potrebné materiály a obrázky môjho návrhu, prejdite priamo na krok 6.

Krok 1: Trochu teórie:

„Rýchlosť“je známa ako vzdialenosť, ktorú objekt prešiel v určitom časovom intervale. Rýchlosť je skalárna veličina, to je veľkosť vektora rýchlosti, ktorá tiež vyžaduje smer, v ktorom dochádza k zmenám polohy. Budeme hovoriť v tomto NÁVODE na meranie rýchlosti, ale skutočne budeme merať priemernú rýchlosť.

Krok 2: Meranie rýchlosti solárnym panelom?

Solárne panely sú zariadenia, ktoré fungujú na princípe fotoelektrického efektu a ktorých hlavnou funkciou je cirkulácia elektrického prúdu v obvodoch, v ktorých sa používajú. Solárne panely sa napríklad používajú na prevádzku určitých typov hodiniek, nabíjanie batérií všetkých druhov, a to aj v systémoch generovania striedavého prúdu pre verejnú sieť a v domácnostiach. Aplikácií je mnoho, ich cena na trhu je stále atraktívnejšia a prispieva k trvalo udržateľnému rozvoju, čo je skvelé.

Vzhľadom na vývoj, ktorý táto technológia zažila, ho nachádzame v mnohých zariadeniach, napríklad ten, ktorý vám ukážem, bol vybratý z lacnej baterky, ktorú som uložil a teraz má nové použitie.

Princíp je základný. Keď sa svetlo premieta na panel, spôsobuje to na jeho svorkách rozdiel v elektrickom potenciáli (napätí). Keď je pripojený voltmetr, je to ľahko overiteľné. Tento rozdiel v potenciáli je zodpovedný za cirkuláciu elektrického prúdu, keď je k spotrebičovému zariadeniu pripojený napríklad elektrický odpor. V závislosti od „impedancie“obvodu a charakteristík panelu bude cirkulovať viac alebo menej prúdu. Pokiaľ ide o tento prúd, po pripojení spotrebiča dôjde k poklesu napätia na svorkách solárneho panelu, ale ak impedancia zostane konštantná, napätie sa tiež udržiava konštantné, pokiaľ zodpovedajú aj charakteristikám osvetlenia. Voltmetre majú spravidla vysokú impedanciu, takže veľmi málo ovplyvnia napätie, ktoré sa nimi meria. Čo sa však stane, ak sa zmení osvetlenie ?, zmení sa teda napätie a toto je premenná, ktorú použijeme.

Zhrnutie:

• Solárny panel, keď svieti, ukazuje na svojich svorkách napätie, ktoré je možné merať voltmetrom.

• Napätie sa nemení, ak sú impedancia obvodu a charakteristiky osvetlenia udržované na konštantnej úrovni (musí byť v citlivom spektre panelu, aby došlo k fotoelektrickému efektu).

• Akákoľvek zmena osvetlenia povedie k variácii napätia, premennej, ktorá sa neskôr použije na získanie rýchlosti predmetov v experimentoch.

Na základe predchádzajúcich zásad by bolo možné sformulovať nasledujúcu myšlienku:

Predpokladaný tieň objektu pohybujúceho sa na solárnom paneli spôsobí zníženie jeho koncového napätia. Čas potrebný na zníženie môže byť použitý na výpočet priemernej rýchlosti, ktorou sa daný objekt pohybuje.

Krok 3: Počiatočný experiment

V predchádzajúcom videu sú experimentálne ukázané princípy, na ktorých je založená predchádzajúca myšlienka.

Obrázok ukazuje čas, ktorý trvala zmena napätia, ktorý bol vynesený osciloskopom. Správnou konfiguráciou spúšťacej funkcie získate graf, na ktorý môžeme zmerať uplynulý čas počas variácie. V tejto ukážke bola odchýlka približne 29,60 ms.

V skutočnosti koncept tabule v experimente nie je bodovým objektom, má rozmery. Ľavý koniec gumy začne premietať svoj tieň na solárny panel a následne začne znižovať napätie na minimálnu hodnotu. Keď sa guma vzdiali a panel začne byť opäť objavovaný, je vidieť zvýšenie napätia. Celkový nameraný čas zodpovedá času, ktorý potreboval na premietanie tieňa celý panel. Ak zmeráme dĺžku objektu (ktorá by sa mala rovnať projekcii jeho tieňa, ak sa budeme starať o určité záležitosti), pripočítame ho k dĺžke aktívnej zóny panelu a rozdelíme ho medzi čas, počas ktorého zmena napätia trvala, potom získame priemer rýchlosti tohto objektu. Keď je dĺžka objektu na meranie jeho rýchlosti kvantitatívne vyššia ako aktívna zóna panelu, panel môže byť považovaný za bodový objekt bez zavedenia výraznej chyby v meraniach (to znamená, že nepridávame jeho dĺžku k dĺžke objektu).

Urobme niekoľko výpočtov (pozri obrázok)

Krok 4: Na uplatnenie tejto metódy je potrebné vziať do úvahy niektoré opatrenia

• Solárny panel musí byť osvetlený svetelným zdrojom uvedeným v experimentálnom návrhu, pričom sa musí pokiaľ možno vyhýbať iným zdrojom svetla, ktoré ho ovplyvňujú.

• Svetelné lúče musia dopadať kolmo na povrch solárneho panelu.

• Objekt musí premietať dobre definovaný tieň.

• Povrch panelu a rovina obsahujúca smer pohybu musia byť rovnobežné.

Krok 5: Typické cvičenie

Určte rýchlosť padajúcej lopty z výšky 1 m, vezmite do úvahy počiatočnú rýchlosť cero.

Ak lopta spadne voľným pádom, je to veľmi jednoduché: viď obr

V skutočných podmienkach môže byť predchádzajúca hodnota nižšia v dôsledku pôsobenia trenia so vzduchom. Určme to experimentálne.

Krok 6: Návrh, konštrukcia a prevedenie experimentu:

• Prilepte plastovú trubicu k aktívnej oblasti solárneho panelu. • Spájajte nové vodiče na svorky solárneho panelu, aby ste predišli falošným kontaktom.

• Vytvorte podperu pre zostavu trubice solárneho panelu, aby ju bolo možné držať horizontálne.

• Baterku alebo iný zdroj svetla umiestnite na inú podložku tak, aby projekcia vyžarovaného svetla dopadala kolmo na solárny panel.

• Skontrolujte pomocou multimetra, že keď svetlo dopadne na solárny panel, zaznamená sa hodnota konštantného napätia väčšia ako nula.

• Umiestnite zostavu trubice solárneho panelu na prednú stranu lampičky a ponechajte väčšiu vzdialenosť od predmetu, ktorého rýchlosť chcete merať. Snažte sa držať čo najďalej zdroj svetla (baterku) od solárneho panelu. Ak je svetlo lampáša tvorené jednou diódou, tým lepšie.

• Merajte od stredu solárneho panelu a smerom hore jeden meter a označte ho na tyči, stene alebo podobne.

• Pripojte sondu osciloskopu k svorkám solárneho panelu, rešpektujte polaritu.

• Na osciloskope nastavte správne funkciu TRIGGER, aby bolo možné zaznamenať všetky zmeny napätia počas prechodu tieňa na panel. V mojom prípade boli časové delenia v 5 ms a napäťové delenia v stupnici boli 500 mv. Línia nulových napätí musela byť upravená nadol, aby sa zmestili všetky variácie. Spúšťací prah bol umiestnený tesne pod počiatočné konštantné napätie.

• Zmerajte dĺžku objektu a dĺžku aktívnej zóny panelu, pridajte ich a zapíšte si ich pre výpočet rýchlosti.

• Spustite telo z výšky 1 m tak, aby jeho tieň prerušoval lúč svetla premietaný lampou.

• Zmerajte čas kolísania napätia pomocou kurzorov osciloskopu na časovej stupnici.

• Rozdelte súčet dĺžok, ktoré ste predtým urobili, medzi čas nameraný v osciloskope.

• Porovnajte hodnotu s teoretickými výpočtami a vyvodte závery (vezmite do úvahy možné faktory, ktoré spôsobujú chyby v meraní).

Získané výsledky: viď obr

Krok 7: Niektoré poznámky k experimentu:

• Získané výsledky sa zdajú byť v súlade s teóriou.

• Objekt vybraný pre tento experiment nie je ideálny. Mám v pláne ho zopakovať s inými, ktoré môžu premietať lepšie definovaný tieň a ktoré sú symetrické, aby sa predišlo prípadným rotáciám počas jesene.

• Bolo by ideálne umiestniť trubicu panelu a lampu na samostatné stoly, pričom by zostalo voľné miesto.

• Experiment by sa mal opakovať niekoľkokrát, snažiť sa kontrolovať možné príčiny chýb v meraniach a na získanie spoľahlivejších výsledkov by sa mali použiť štatistické metódy.

Návrhy materiálov a nástrojov pre tento projekt: Aj keď sa domnievam, že by mohol fungovať akýkoľvek digitálny osciloskop, svetelný zdroj a solárny panel, tu používam tieto.

ATTEN OSCILLOSCOPE

SOLÁRNY PANEL

FAKĽA

Všetok materiál a nástroje použité v mojich projektoch je možné zakúpiť prostredníctvom Ebay. Ak kliknete na nasledujúci odkaz a uskutočníte nákup, prispejete k získaniu malej provízie.

EBAY.com

Budem čakať na vaše otázky, otázky a návrhy.

Ďakujem a držím krok s mojimi ďalšími projektmi.