Saulės skydelio tachometras: 5 žingsniai

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:44

INSTRUCTABLE „Saulės skydas kaip šešėlių sekėjas“buvo pateiktas eksperimentinis metodas, leidžiantis nustatyti objekto greitį pagal jo šešėlio projekciją ant saulės kolektoriaus. Ar galima taikyti kokį nors šio metodo variantą besisukantiems objektams tirti? Taip, tai įmanoma. Toliau bus pateiktas paprastas eksperimentinis aparatas, kuris leis išmatuoti objekto sukimosi periodą ir dažnį. Šis eksperimentinis aparatas gali būti naudojamas tiriant dalyką „Fizika: klasikinė mechanika“, ypač tiriant temą „Standžių objektų sukimasis“. Tai gali būti naudinga bakalauro ir magistrantūros studentams eksperimentinių demonstracijų ar laboratorinių užsiėmimų metu.

1 žingsnis: keletas teorinių pastabų

Kai kietas objektas sukasi aplink ašį, jo dalys apibūdina tos ašies koncentriškumą. Laikas, per kurį viena iš šių pusių užpildo apskritimą, vadinamas sukimosi periodu. Laikotarpis ir dažnis yra abipusis dydis. Tarptautinėje vienetų sistemoje laikotarpis nurodomas sekundėmis (s), o dažnis - hercais (Hz). Kai kurie prietaisai, skirti matuoti sukimosi dažnį, pateikia reikšmes apsisukimais per minutę (aps./min.). Norėdami konvertuoti iš Hz į aps / min, tiesiog padauginkite vertę iš 60 ir gausite apsisukimų per minutę.

2 žingsnis: medžiagos ir instrumentai

• Mažas saulės kolektorius (100mm * 28mm)

• LED žibintuvėlis

• Šviesą atspindinti lipni juosta

• Juoda elektros juosta

• Elektros kabelis

• Kabeliai

• Karštas silikoninis pistoletas

• Lituoklis ir skarda

• Trys medžio gabalai (45mm * 20mm * 10mm)

• Skaitmeninis osciloskopas su zondu

• Sukamas objektas, prie kurio norite išmatuoti jo sukimosi dažnį

3 žingsnis: veikimo principas

Kai šviesa atsitrenkia į objektą, viena dalis absorbuojama, o kita atsispindi. Priklausomai nuo paviršiaus savybių ir objekto spalvos, ta atspindėta šviesa gali būti daugiau ar mažiau intensyvi. Jei savavališkai pakeičiamos tam tikros paviršiaus dalies savybės, tarkime, nudažydami arba priklijuodami prie sidabrinės ar juodos lipnios juostos, mes sąmoningai galime pakeisti toje vietoje atsispindinčios šviesos intensyvumą. Čia mes nedarytume „Šešėlių stebėjimo“, bet pakeistume atspindėto apšvietimo charakteristikas. Jei besisukantis objektas apšviečiamas šviesos šaltiniu ir saulės skydelis yra tinkamai pastatytas, todėl dalis atspindėtos šviesos patenka ant jo, jo gnybtuose turi atsirasti įtampa. Ši įtampa yra tiesiogiai susijusi su gaunamu šviesos intensyvumu. Jei keičiame paviršių, keičiasi atspindėtos šviesos intensyvumas ir kartu skydo įtampa. Ši plokštė gali būti prijungta prie osciloskopo ir nustatyti įtampos pokyčius laikui bėgant. Jei galime nustatyti nuoseklų ir pasikartojantį kreivės pokytį, išmatuodami laiką, kurio reikia pasikartoti, mes nustatytume sukimosi periodą ir kartu su juo sukimosi dažnį netiesiogiai, jei jį apskaičiuotume. Kai kurie osciloskopai sugeba automatiškai apskaičiuoti šias vertes, tačiau mokymo požiūriu mokiniams tai apskaičiuoti yra produktyvu. Norėdami supaprastinti šią eksperimentinę veiklą, iš pradžių galėtume naudoti objektus, kurie sukasi pastoviu apsisukimų dažniu ir, pageidautina, simetriški jo sukimosi ašies atžvilgiu.

Apibendrinant:

1. Nuolat besisukantis objektas atspindi ant jo krintančią šviesą.

2. Besisukančio objekto atspindimos šviesos intensyvumas priklauso nuo spalvos ir jo paviršiaus savybių.

3. Saulės skydelyje atsirandanti įtampa priklauso nuo atspindėtos šviesos intensyvumo.

4. Jei sąmoningai keičiamos tam tikros paviršiaus dalies charakteristikos, pasikeis ir toje dalyje atsispindėjusios šviesos šviesos intensyvumas, o kartu ir saulės kolektoriaus įtampa.

5. Objekto periodas sukimosi metu gali būti nustatytas naudojant osciloskopą, išmatuodamas laiką, praėjusį tarp dviejų taškų, kurių įtampa ir elgesys yra vienodi.

4 žingsnis: Eksperimento projektavimas, konstravimas ir vykdymas

1. Lituokite du elektros laidininkus prie saulės kolektoriaus. 2. Uždenkite skydo elektrinius kontaktus karštu silikonu, kad išvengtumėte trumpojo jungimo.

3. Sukurkite medinę atramą, sujungdami karštu silikonu ar kitu klijais tris medžio dalis, kaip parodyta paveikslėlyje.

4. Pritvirtinkite saulės kolektorių prie medinės atramos karštu silikonu, kaip parodyta paveikslėlyje.

5. Priklijuokite žibintą prie medinės atramos, kaip parodyta paveikslėlyje, ir pritvirtinkite plastikiniais raiščiais.

6. Prie medinės atramos pritvirtinkite skydo elektros laidus kita flanšu.

7. Įklijuokite objektą, kurį norite ištirti juodos juostos juostą, o tada sidabrinę juostą, kaip parodyta paveikslėlyje.

8. Pradėkite norimo studijuoti objekto sukimąsi.

9. Tinkamai prijunkite osciloskopo zondą prie saulės kolektorių laidininkų.

10. Teisingai nustatykite osciloskopą. Mano atveju įtampos skyriai buvo 500 mv, o laiko padalijimai - 25 ms (tai priklausys nuo objekto sukimosi greičio).

11. Padėkite ką tik surinktą eksperimentinį aparatą tokioje vietoje, kur šviesos spinduliai atsispindėtų ant besisukančio paviršiaus ir atsitrenktų į saulės skydelį (padėkite sau nuo to, ką matote osciloskopu, kad gautumėte kreivę su ryškesniais pokyčiais).

12. Palaikykite eksperimentinį aparatą keletą sekundžių tinkamoje padėtyje, kad pamatytumėte, ar kreivės rezultatai išlieka pastovūs.

13. Sustabdykite osciloskopą ir išanalizuokite kreivę, kad nustatytumėte, kurios padėtys atitinka juodą juostą, o kurios - sidabrinę. Mano atveju, kadangi mano tiriamas elektros variklis buvo auksinis, juostos sukelti pokyčiai tapo labiau pastebimi.

14. Naudodami osciloskopo žymeklius, išmatuokite laiką tarp taškų fazių lygybe, pirmiausia juostos, o paskui sidabrinės juostelės ir palyginkite (jie turi būti vienodi).

15. Jei jūsų osciloskopas automatiškai neapskaičiuoja periodo (dažnio) atvirkštinės vertės, padarykite tai. Galite padauginti ankstesnę vertę iš 60 ir taip gauti apsisukimų per minutę.

16. Jei turite vertę kv arba apsisukimų vienam voltui (tuo atveju, jei variklis turi šias charakteristikas), padauginkite vertę kv iš įėjimo įtampos, palyginkite rezultatą su rezultatu, kurį gavote eksperimento metu, ir gaukite išvadas.

5 žingsnis: kai kurios paskutinės pastabos ir rekomendacijos

• Patogu iš pradžių patikrinti osciloskopo kalibravimo būseną, kad gautumėte patikimus rezultatus (naudokite osciloskopo siūlomą kalibravimo signalą, kuris paprastai yra 1 kHz).
• Teisingai sureguliuokite osciloskopo zondą. Turėtumėte matyti, kad stačiakampiai impulsai nėra deformuoti, jei naudojate paties osciloskopo generuojamą signalą (žr. Paveikslėlį).
• Išnagrinėkite elektrinio atsako laiką pas savo saulės kolektoriaus gamintoją (duomenų lapą). Mano atveju jis buvo daug mažesnis nei mano tirto elektros variklio sukimosi laikotarpis, todėl neatsižvelgiau į jo įtaką atliktiems matavimams.
• Palyginkite šiuo metodu gautus rezultatus su komercine priemone gautais ir apsvarstykite abiejų privalumus ir trūkumus.

Kaip visada, būsiu dėmesingas jūsų pasiūlymams, pastaboms ir klausimams. Sėkmės ir sekite mano būsimus projektus!

Mokslo konkurso „Classroom“vicečempionas