PANEA SOLARĂ CA URMĂTOR DE UMBRE: 7 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:42

O magnitudine fundamentală utilizată în Fizică și alte științe pentru a descrie mișcarea mecanică este viteza. Măsurarea acestuia a fost o activitate recurentă în clasele experimentale. De obicei folosesc o cameră video și software-ul TRACKER pentru a studia mișcarea anumitor obiecte cu elevii mei. O dificultate pe care am întâmpinat-o este: obiectele care se mișcă la viteze relativ mari apar neclare în cadrele video, ceea ce introduce incertitudini în măsurătorile efectuate cu software-ul. Cele mai comune metode și instrumente pentru studierea obiectelor la viteză relativ mare se bazează pe efectul DOPPLER și senzorii optici cuplați cu cronograful.

În prezentul INSTRUCTABLE abordez o metodă experimentală alternativă pentru a măsura viteza medie a unui obiect cu utilizarea unui panou solar și a unui osciloscop. Se aplică la lecțiile de laborator ale disciplinei Fizică (mecanică clasică), în special la tema: Cinematica mișcării mecanice a traducerii. Metoda propusă și aplicarea sa experimentală sunt puternic aplicabile altor sarcini experimentale din cadrul disciplinei de Fizică pentru cei care nu sunt absolvenți și absolvenți. Poate fi folosit și în alte cursuri de știință în care sunt studiate aceste conținuturi.

Dacă doriți să scurtați fundamentele teoretice și să mergeți direct la construcția aparatului experimental, cum să efectuați măsurătorile, materialele necesare și imaginile proiectului meu, vă rugăm să mergeți direct la pasul 6.

Pasul 1: Teorie:

„Viteza” este cunoscută ca distanța parcursă de un obiect într-un anumit interval de timp. Viteza este cantitatea scalară, adică magnitudinea vectorului vitezei care necesită și direcția în care apar schimbările de poziție. Vom vorbi în acest INSTRUCTABIL pentru a măsura viteza, dar vom măsura cu adevărat viteza medie.

Pasul 2: Măsurarea vitezei cu un panou solar?

Panourile solare sunt dispozitive care funcționează sub principiul efectului fotoelectric și a căror funcție principală este de a circula un curent electric în circuitele în care sunt utilizate. De exemplu, panourile solare sunt utilizate pentru a acționa anumite tipuri de ceasuri, pentru a încărca baterii de tot felul, de asemenea, în sistemele de generare de curent alternativ pentru rețeaua publică și în case. Aplicațiile sunt multe, prețul său pe piață este din ce în ce mai atractiv și contribuie la o dezvoltare durabilă, ceea ce este excelent.

Datorită dezvoltării acestei tehnologii experimentate, o găsim în multe dispozitive, de exemplu, cea pe care ți-am arătat-o a fost extrasă dintr-o lanternă ieftină pe care am salvat-o și are acum o nouă utilizare.

Principiul este de bază. Dacă o lumină este proiectată peste un panou, aceasta determină o diferență a potențialului electric (tensiune) la bornele sale. Când este conectat un voltmetru, acest lucru este ușor de verificat. Această diferență de potențial este responsabilă pentru circulația unui curent electric atunci când un dispozitiv de consum este conectat, de exemplu, o rezistență electrică. În funcție de „impedanța” circuitului și de caracteristicile panoului, acesta va circula mai mult sau mai puțin curent. În raport cu acest curent, se va experimenta o cădere de tensiune la terminalele panoului solar odată ce consumatorul a fost conectat, dar dacă impedanța rămâne constantă, tensiunea este menținută constantă atât timp cât și caracteristicile iluminării sunt. Voltmetrele au, în general, o impedanță ridicată, astfel încât vor afecta foarte puțin tensiunea măsurată cu ele. Dar ce se întâmplă dacă iluminarea se schimbă ?, la fel se va schimba tensiunea și aceasta este variabila pe care o vom folosi.

Rezumând:

• Un panou solar, atunci când este iluminat, arată o tensiune pe bornele sale care poate fi măsurată cu un voltmetru.

• Tensiunea nu se modifică dacă impedanța circuitului și caracteristicile iluminării sunt menținute constante (trebuie să se afle în spectrul sensibil al panoului pentru a se produce efectul fotoelectric).

• Orice modificare a iluminării va duce la o variație a tensiunii, o variabilă care va fi utilizată ulterior pentru a obține viteza obiectelor din experimente.

Pe baza preceptelor anterioare, ar putea fi formulată următoarea idee:

Umbra proiectată a unui obiect, care se deplasează pe un panou solar, va determina o scădere a tensiunii sale terminale. Timpul necesar pentru reducere poate fi folosit pentru a calcula viteza medie cu care se mișcă acel obiect.

Pasul 3: Experiment inițial

În videoclipul anterior sunt prezentate experimental principiile pe care se bazează ideea anterioară.

Imaginea arată timpul pe care a durat variația tensiunii, care a fost reprezentat de un osciloscop. Configurând corect funcția de declanșare puteți obține graficul la care putem măsura timpul scurs în timpul variației. În demonstrație, variația a fost de aproximativ 29,60ms.

De fapt, schița de tablă din experiment nu este un obiect punctat, are dimensiuni. Capătul stâng al radierului începe să-și proiecteze umbra pe panoul solar și, prin urmare, începe să scadă tensiunea la o valoare minimă. Când radiera se îndepărtează și panoul începe să fie descoperit din nou, se observă o creștere a tensiunii. Timpul total măsurat corespunde cu timpul necesar proiecției umbrei pentru a parcurge întregul panou. Dacă măsurăm lungimea obiectului (care ar trebui să fie egală cu proiecția umbrei sale dacă luăm anumite griji) îl adăugăm cu lungimea zonei active a panoului și îl împărțim între timpul în care a durat variația de tensiune, atunci vom obține media vitezei acelui obiect. Atunci când lungimea obiectului pentru a-i măsura viteza este cantitativ mai mare decât zona activă a panoului, panoul poate fi considerat un obiect punctual fără a introduce o eroare notabilă în măsurători (înseamnă să nu adăugați lungimea acestuia la lungimea obiectului).

Să facem câteva calcule (a se vedea imaginea)

Pasul 4: Pentru a aplica această metodă, trebuie luate în considerare unele precauții

• Panoul solar trebuie să fie iluminat de sursa de lumină prevăzută în proiectul experimental, evitând pe cât posibil alte surse de lumină care îl afectează.

• Razele de lumină trebuie să lovească perpendicular pe suprafața panoului solar.

• Obiectul trebuie să proiecteze o umbră bine definită.

• Suprafața panoului și planul care conține direcția de mișcare trebuie să fie paralele.

Pasul 5: un exercițiu tipic

Determinați viteza unei mingi care cade de la 1m înălțime, luați în considerare viteza inițială zero.

Dacă mingea cade în cădere liberă, este foarte simplu: vezi imaginea

În condiții reale, valoarea anterioară poate fi mai mică datorită acțiunii de frecare cu aerul. Să-l determinăm experimental.

Pasul 6: Proiectarea, construcția și executarea experimentului:

• Lipiți un tub de plastic pe zona activă a panoului solar. • Conduții noi de lipit la bornele panoului solar, astfel încât contactele false să fie evitate.

• Creați un suport pentru ansamblul panou solar-tub, astfel încât să poată fi ținut orizontal.

• Așezați o lanternă sau altă sursă de lumină pe un alt suport, astfel încât proiecția luminii emise să atingă perpendicular pe panoul solar.

• Verificați cu un multimetru că, atunci când o lumină lovește pe panoul solar, este înregistrată o valoare de tensiune constantă mai mare decât zero.

• Așezați ansamblul panou solar-tub pe partea din față a felinarului, lăsând o distanță mai mare decât obiectul a cărui viteză doriți să o măsurați. Încercați să păstrați cât mai mult posibil sursa de lumină (lanterna) de la panoul solar. Dacă lumina felinarului este creată de un singur led, cu atât mai bine.

• Măsurați din centrul panoului solar și în sus o distanță de un metru și marcați-l într-o tijă, perete sau similar.

• Conectați sonda osciloscopului la bornele panoului solar, respectând polaritatea.

• Setați corect opțiunea TRIGGER pe osciloscop, astfel încât toate variațiile de tensiune să poată fi înregistrate în timpul trecerii umbrei pe panou. În cazul meu, diviziunile de timp erau în 5 ms, iar diviziile de tensiune în scară erau de 500mv. Linia de tensiuni zero a trebuit ajustată în jos, astfel încât să se potrivească toate variațiile. Pragul de declanșare a fost plasat chiar sub tensiunea constantă inițială.

• Măsurați lungimea obiectului și cea a zonei active a panoului, adăugați-le și notați-le pentru calculul vitezei.

• Aruncați corpul de la înălțimea de 1m, astfel încât umbra acestuia să întrerupă fasciculul de lumină proiectat de felinar.

• Măsurați timpul variației tensiunii cu cursorele osciloscopului pe scara de timp.

• Împărțiți suma lungimilor făcute anterior între timpul măsurat în osciloscop.

• Comparați valoarea cu calculele teoretice și ajungeți la concluzii (luați în considerare posibilii factori care introduc erori în măsurare).

Rezultate obținute: vezi imag

Pasul 7: Câteva note ale experimentului:

• Rezultatele obținute par a fi corecte în corespondență cu teoria.

• Obiectul selectat pentru acest experiment nu este ideal, intenționez să-l repet cu alții care pot proiecta o umbră mai bine definită și care sunt simetrice pentru a evita posibilele rotații în timpul toamnei.

• Ar fi fost ideal să poziționați panoul-tub și felinarul pe mese separate, lăsând un spațiu liber în jos.

• Experimentul ar trebui repetat de mai multe ori, încercând să controleze posibilele cauze ale erorilor în măsurători și ar trebui utilizate metode statistice pentru a obține rezultate mai fiabile.

Sugestii de materiale și instrumente pentru acest proiect: Deși cred că orice osciloscop digital, sursă de lumină și panou solar ar putea funcționa, iată cele pe care le folosesc.

ATENȚIE OSCILOSCOP

PANOU SOLAR

TORCĂ

Toate materialele și instrumentele utilizate în proiectele mele pot fi achiziționate prin Ebay. Dacă faceți clic pe următorul link și efectuați o achiziție, veți contribui la obținerea unui mic comision.

EBAY.com

Voi aștepta comentariile, întrebările și sugestiile dvs.

Vă mulțumesc și țineți pasul cu următoarele proiecte.