„Pasidaryk pats“LED fotometras su „Arduino“fizikos ar chemijos pamokoms: 5 žingsniai (su nuotraukomis)

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:47

Sveiki!

Skysčiai ar kiti objektai atrodo spalvoti, nes jie atspindi arba perduoda tam tikras spalvas, o savo ruožtu praryja (sugeria) kitas. Naudojant vadinamąjį fotometrą, galima nustatyti tas spalvas (bangos ilgius), kurias sugeria skysčiai. Pagrindinis principas yra paprastas: su tam tikros spalvos šviesos diodu pirmiausia šviečiate per kiuvetę, pripildytą vandens ar kito tirpiklio. Fotodiodas matuoja gaunamos šviesos intensyvumą ir paverčia jį proporcinga įtampa U0. Ši vertė pažymima. Po to kiuvetė su tiriamuoju skysčiu dedama į spindulio kelią ir vėl matuoja šviesos intensyvumą arba įtampą U. Tada perdavimo koeficientas procentais paprasčiausiai apskaičiuojamas pagal T = U / U0 * 100. Norint gauti absorbcijos koeficientą A jums tereikia apskaičiuoti A = 100 minus T.

Šis matavimas kartojamas su skirtingų spalvų šviesos diodais ir kiekvienu atveju nustato T arba A kaip bangos ilgio (spalvos) funkciją. Jei tai padarysite su pakankamai šviesos diodų, gausite absorbcijos kreivę.

1 žingsnis: dalys

Fotometrui jums reikia šių dalių:

* Juodas dėklas, kurio matmenys 160 x 100 x 70 mm arba panašūs: korpusas

* „Arduino Nano“: „ebay arduino nano“

* Operacinis stiprintuvas LF356: ebay LF356

* 3 kondensatoriai, kurių talpa 10μF: „ebay“kondensatoriai

* 2 kondensatoriai su C = 100nF ir kondensatorius su 1nF: ebay kondensatoriai

* Vienas įtampos keitiklis ICL7660: ebay ICL7660

* Vienas fotodiodas BPW34: „ebay BPW34“fotodiodas

* 6 rezistoriai su 100, 1k, 10k, 100k, 1M ir 10M omų: „ebay“rezistoriai

* I²C 16x2 ekranas: „ebay“16x2 ekranas

* 2x6 sukamasis jungiklis: sukamasis jungiklis

* 9V akumuliatoriaus laikiklis ir 9V akumuliatorius: akumuliatoriaus laikiklis

* jungiklis: jungiklis

* Stiklo kiuvetės: ebay kiuvetės

* Šviesos diodai su skirtingomis spalvomis: pvz. „ebay“šviesos diodai

* paprastas 0-15 V maitinimo šaltinis šviesos diodams maitinti

* medis kiuvetės laikikliui

2 žingsnis: grandinė ir „Arduino“kodas

Fotometro grandinė yra labai paprasta. Jį sudaro fotodiodas, operacinis stiprintuvas, įtampos keitiklis ir kai kurios kitos dalys (rezistoriai, jungikliai, kondensatoriai). Šio tipo grandinės principas - paversti (mažą) srovę iš fotodiodo į aukštesnę įtampą, kurią gali nuskaityti arduino nano. Dauginimo koeficientas nustatomas pagal rezistoriaus vertę OPA atsiliepimuose. Kad būtų lankstesnis, paėmiau 6 skirtingus rezistorius, kuriuos galima pasirinkti sukamuoju jungikliu. Mažiausias „padidinimas“yra 100, didžiausias - 10 000 000. Viską maitina viena 9 V baterija.

3 žingsnis: Pirmasis eksperimentas: chlorofilo absorbcijos kreivė

Matavimo procedūrai: Kiuvetė pripildoma vandens arba nepermatomo tirpiklio. Tada jis dedamas į fotometrą. Kiuvetė uždengta šviesos nepraleidžiančiu dangteliu. Dabar nustatykite šviesos diodo maitinimo šaltinį, kad per šviesos diodą tekėtų apie 10-20 mA srovė. Po to sukamuoju jungikliu pasirinkite padėtį, kurioje fotodiodo išėjimo įtampa yra apie 3-4 V. Išvesties įtampą galima tiksliai sureguliuoti naudojant reguliuojamą maitinimo šaltinį. Ši įtampa U0 yra pažymėta. Tada paimkite kiuvetę, kurioje yra tiriamasis skystis, ir įdėkite ją į fotometrą. Šiuo metu maitinimo šaltinio įtampa ir sukamojo jungiklio padėtis turi nepasikeisti! Tada vėl uždėkite kiuvetę dangčiu ir išmatuokite įtampą U. Transmisijai T procentais vertė yra T = U / U0 * 100. Norėdami gauti absorbcijos koeficientą A, turite tiesiog apskaičiuoti A = 100 - T.

Aš nusipirkau skirtingų spalvų šviesos diodus iš Roithner Lasertechnik, kuris yra Austrijoje, mano gimtojoje šalyje. Tam atitinkamas bangos ilgis nurodomas nanometrais. Norėdami būti tikrai tikri, galite patikrinti dominuojantį bangos ilgį spektroskopu ir „Theremino“programine įranga (theremino spektrometru). Mano atveju duomenys, išreikšti nm, sutapo su matavimais. Renkantis šviesos diodus, turėtumėte pasiekti tolygų bangos ilgio diapazono diapazoną nuo 395 nm iki 850 nm.

Pirmajam eksperimentui su fotometru pasirinkau chlorofilą. Bet tam turėsi nuplėšti žolę iš pievos, tikėdamasis, kad niekas tavęs nestebi …

Tada ši žolė supjaustoma smulkiais gabalėliais ir sudedama į puodą kartu su propanoliu arba etanoliu. Dabar jūs sutrinate lapus skiediniu ar šakute. Po kelių minučių chlorofilas gerai ištirpsta propanolyje. Šis sprendimas vis dar per stiprus. Jį reikia praskiesti pakankamu propanolio kiekiu. Siekiant išvengti suspensijos atsiradimo, tirpalas turi būti filtruojamas. Aš paėmiau įprastą kavos filtrą.

Rezultatas turėtų atrodyti taip, kaip parodyta paveikslėlyje. Labai permatomas žalsvai gelsvas tirpalas. Tada pakartokite matavimą (U0, U) su kiekvienu šviesos diodu. Kaip matyti iš gautos absorbcijos kreivės, teorija ir matavimai sutampa gana gerai. Chlorofilas a + b labai stipriai sugeria mėlyną ir raudoną spektro diapazoną, o žalia-geltona ir infraraudonųjų spindulių šviesa gali beveik netrukdomai prasiskverbti į tirpalą. Infraraudonųjų spindulių diapazone absorbcija yra net artima nuliui.

4 žingsnis: Antrasis eksperimentas: išnykimo priklausomybė nuo kalio permanganato koncentracijos

Tolesnis eksperimentas - išnykimo nustatymas, priklausomai nuo tirpios medžiagos koncentracijos. Kaip tirpi medžiaga naudoju kalio permanganatą. Šviesos intensyvumas, prasiskverbus į tirpalą, atitinka Lamberto-Beerio dėsnį: Jame yra I = I0 * 10 ^ (- E). I0 yra intensyvumas be tirpios medžiagos, I intensyvumas su ištirpusia medžiaga ir E vadinamasis išnykimas. Šis išnykimas E priklauso (tiesiškai) nuo kiuvetės storio x ir nuo tirpios medžiagos koncentracijos c. Taigi, E = k * c * x su k kaip molinis absorbcijos koeficientas. Norint nustatyti išnykimą E, jums reikia tik I ir I0, nes E = lg (I0 / I). Kai intensyvumas sumažinamas, pavyzdžiui, iki 10%, išnykimas E = 1 (10 ^ -1). Susilpnėjus tik 1%, E = 2 (10 ^ -2).

Jei taikome E kaip koncentracijos c funkciją, mes tikimės gauti kylančią tiesę per nulinį tašką.

Kaip matote iš mano išnykimo kreivės, ji nėra tiesinė. Esant didesnėms koncentracijoms, jis išsilygina, ypač nuo didesnės nei 0,25 koncentracijos. Tai reiškia, kad išnykimas yra mažesnis, nei būtų galima tikėtis pagal Lambert-Beer įstatymą. Tačiau, atsižvelgiant į tik mažesnes koncentracijas, pavyzdžiui, nuo 0 iki 0,25, gaunamas labai gražus tiesinis ryšys tarp koncentracijos c ir išnykimo E. Šiame diapazone nežinomą koncentraciją c galima nustatyti pagal išmatuotą išnykimą E., koncentracija turi tik savavališkus vienetus, nes nenustatiau pradinio ištirpusio kalio permanganato kiekio (tai buvo tik miligramai, kurių mano atveju nebuvo galima išmatuoti pagal virtuvės skalę, ištirpinus 4 ml vandens pradžiai) tirpalas).

5 žingsnis: Išvados

Šis fotometras ypač tinka fizikos ir chemijos pamokoms. Bendra kaina yra tik apie 60 eurų = 70 USD. Įvairių spalvų šviesos diodai yra brangiausia dalis. „Ebay“ar „aliexpress“tikrai rasite pigesnių šviesos diodų, tačiau paprastai nežinote, kokio bangos ilgio šviesos diodai turi. Tokiu būdu rekomenduojama pirkti iš specializuoto mažmenininko.

Šioje pamokoje sužinosite kažką apie santykį tarp skysčių spalvos ir jų absorbcijos elgesio, apie svarbų chlorofilą, Lamberto-alaus dėsnį, eksponentus, perdavimą ir absorbciją, procentų skaičiavimą ir matomų spalvų bangos ilgius. Manau, tai yra gana daug…

Taigi linksminkitės taip pat kurdami šį projektą savo pamokoje ir „Eureka“!

Paskutinis, bet ne mažiau svarbus dalykas, aš būčiau labai laimingas, jei galėtumėte balsuoti už mane klasėje-gamtos mokslų konkurse. Ačiū už tai…

O jei jus domina tolesni fizikos eksperimentai, čia yra mano „YouTube“kanalas:

www.youtube.com/user/stopperl16/videos?

daugiau fizikos projektų: