Saulės skydelis kaip šešėlių sekėjas: 7 žingsniai (su nuotraukomis)

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:45

Pagrindinis fizikoje ir kituose moksluose naudojamas mechaninio judėjimo apibūdinimo dydis yra greitis. Jo matavimas buvo pasikartojanti veikla eksperimentinėse klasėse. Aš dažniausiai naudoju vaizdo kamerą ir „TRACKER“programinę įrangą tam, kad kartu su savo mokiniais tyrinėčiau tam tikrų objektų judėjimą. Vienas iš sunkumų, su kuriais susidūrėme, yra tai, kad vaizdo įrašų kadruose objektai, kurie juda santykinai dideliu greičiu, atrodo neryškūs, o tai sukelia programinės įrangos matavimų neapibrėžtumą. Dažniausiai naudojami metodai ir prietaisai, skirti objektams tirti gana dideliu greičiu, yra pagrįsti DOPPLER efektu ir optiniais jutikliais kartu su chronografu.

Šiame INSTRUCTABLE I metodas yra alternatyvus eksperimentinis metodas, skirtas išmatuoti vidutinį objekto greitį naudojant saulės kolektorių ir osciloskopą. Jis taikomas laboratorijos dalyko fizikos (klasikinės mechanikos) pamokose, ypač temoje: Mechaninio vertimo judesio kinematika. Siūlomas metodas ir jo eksperimentinis pritaikymas yra galingai pritaikomas kitoms eksperimentinėms fizikos disciplinos užduotims nebaigusiems ir baigusiems. Jis taip pat gali būti naudojamas kituose mokslo kursuose, kuriuose tiriamas šis turinys.

Jei norite sutrumpinti teorinius pagrindus ir pereiti tiesiai prie eksperimentinio aparato konstrukcijos, kaip atlikti matavimus, reikalingas medžiagas ir mano dizaino vaizdus, pereikite tiesiai prie 6 veiksmo.

1 žingsnis: kai kurios teorijos:

„Greitis“yra žinomas kaip atstumas, kurį objektas nuvažiavo per tam tikrą laiko tarpą. Greitis yra skaliarinis kiekis, tai yra greičio vektoriaus dydis, kuriam taip pat reikalinga kryptis, kuria keičiasi padėtis. Mes kalbėsime šioje instrukcijoje, kaip išmatuoti greitį, bet mes tikrai matuosime vidutinį greitį.

2 žingsnis: greičio matavimas naudojant saulės kolektorių?

Saulės plokštės yra prietaisai, veikiantys fotoelektrinio efekto principu ir kurių pagrindinė funkcija yra cirkuliuoti elektros srovę grandinėse, kuriose jie naudojami. Pavyzdžiui, saulės kolektoriai naudojami tam tikro tipo laikrodžiams valdyti, visų rūšių baterijoms įkrauti, taip pat viešojo tinklo kintamosios srovės generavimo sistemose ir namuose. Programų yra daug, jos kaina rinkoje tampa vis patrauklesnė ir prisideda prie tvaraus vystymosi, kuris yra puikus.

Dėl šios technologijos išsivystymo mes ją randame daugelyje įrenginių, pavyzdžiui, tas, kurį jums parodau, buvo išgautas iš pigaus žibintuvėlio, kurį išsaugojau ir dabar turiu naują panaudojimą.

Principas yra elementarus. Kai šviesa yra projektuojama virš skydelio, jos gnybtuose atsiranda elektros stiprumo (įtampos) skirtumas. Kai prijungtas voltmetras, tai galima lengvai patikrinti. Šis potencialų skirtumas yra atsakingas už elektros srovės cirkuliaciją, kai prijungtas vartotojo prietaisas, pavyzdžiui, elektros varža. Priklausomai nuo grandinės „varžos“ir skydelio charakteristikų, ji cirkuliuos daugiau ar mažiau srovės. Atsižvelgiant į šią srovę, saulės kolektoriaus gnybtuose įtampa sumažės, kai vartotojas bus prijungtas, tačiau jei varža išlieka pastovi, įtampa taip pat išlaikoma pastovi, kol yra ir apšvietimo charakteristikos. Voltmetrai paprastai turi didelę varžą, todėl jie labai mažai paveiks su jais matuojamą įtampą. Bet kas atsitiks, jei pasikeis apšvietimas ?, taip pasikeis įtampa ir tai yra kintamasis, kurį naudosime.

Apibendrinant:

• Saulės skydelis, kai jis šviečia, rodo gnybtų įtampą, kurią galima išmatuoti voltmetru.

• Įtampa nesikeičia, jei grandinės varža ir apšvietimo charakteristikos yra pastovios (turi būti jautriame skydo spektre, kad atsirastų fotoelektrinis efektas).

• Bet koks apšvietimo pasikeitimas sukels įtampos kitimą - kintamąjį, kuris bus naudojamas vėliau, norint gauti eksperimentų objektų greitį.

Remiantis ankstesnėmis nuostatomis, galima suformuluoti tokią mintį:

Numatomas objekto šešėlis, judantis saulės kolektoriuje, sumažins jo galinę įtampą. Sumažėjimui reikalingas laikas gali būti naudojamas apskaičiuoti vidutinį objekto judėjimo greitį.

3 žingsnis: pradinis eksperimentas

Ankstesniame vaizdo įraše eksperimentiškai parodyti principai, kuriais grindžiama ankstesnė idėja.

Paveikslėlyje parodyta osciloskopu nubrėžta įtampos kitimo trukmė. Teisingai sukonfigūruodami trigerio funkciją, galite gauti grafiką, pagal kurį galime išmatuoti praleistą laiką variacijos metu. Demonstracijoje skirtumas buvo maždaug 29,60 ms.

Tiesą sakant, lentos juodraštis eksperimente nėra taškinis objektas, jis turi matmenis. Kairysis trintuko galas pradeda rodyti šešėlį ant saulės kolektoriaus ir todėl pradeda mažinti įtampą iki minimalios vertės. Kai trintukas nutolsta ir skydelis vėl pradedamas atrasti, pastebimas įtampos padidėjimas. Bendras išmatuotas laikas atitinka laiką, kurio prireikė šešėlio projekcijai keliauti per visą skydą. Jei išmatuosime objekto ilgį (kuris turėtų būti lygus jo šešėlio projekcijai, jei rūpinamės tam tikrais rūpesčiais), mes jį pridedame prie skydelio aktyviosios zonos ilgio ir padalijame jį tarp laiko, kurį truko įtampa, tada gausime to objekto greičio vidurkį. Kai objekto ilgis matuoti jo greitį yra kiekybiškai didesnis už aktyviąją skydo zoną, skydas gali būti laikomas taškiniu objektu, neatliekant pastebimos matavimo klaidos (tai reiškia, kad jo ilgis nepridedamas prie objekto ilgio).

Atlikime keletą skaičiavimų (žr. Paveikslėlį)

4 žingsnis: Norėdami taikyti šį metodą, turite atsižvelgti į kai kurias atsargumo priemones

• Saulės skydelį turi apšviesti eksperimentiniame projekte numatytas šviesos šaltinis, kiek įmanoma vengiant kitų jį veikiančių šviesos šaltinių.

• Šviesos spinduliai turi smogti statmenai saulės kolektoriaus paviršiui.

• Objektas turi projektuoti gerai apibrėžtą šešėlį.

• Plokštės paviršius ir plokštuma, kurioje yra judėjimo kryptis, turi būti lygiagrečios.

5 žingsnis: tipiškas pratimas

Nustatykite krentančio rutulio greitį iš 1 m aukščio, apsvarstykite pradinio greičio cero.

Jei kamuolys patenka laisvu kritimu, tai labai paprasta: žr

Esant realioms sąlygoms, ankstesnė vertė gali būti mažesnė dėl trinties ore poveikio. Nustatykime tai eksperimentiškai.

6 žingsnis: Eksperimento projektavimas, konstravimas ir vykdymas:

• Prie aktyvios saulės kolektoriaus vietos priklijuokite plastikinį vamzdelį. • Lituokite naujus laidus prie saulės kolektorių gnybtų, kad išvengtumėte klaidingų kontaktų.

• Sukurkite saulės kolektoriaus ir vamzdžio atramą, kad ją būtų galima laikyti horizontaliai.

• Padėkite žibintuvėlį ar kitą šviesos šaltinį ant kitos atramos taip, kad skleidžiamos šviesos projekcija statmenai patektų į saulės skydelį.

• Multimetru patikrinkite, ar į saulės skydelį patekus šviesai, būtų užfiksuota pastovi įtampos vertė, didesnė už nulį.

• Įstatykite saulės kolektoriaus vamzdžio mazgą ant žibinto priekio, palikdami didesnį tarpą nei objektas, kurio greitį norite išmatuoti. Stenkitės, kad šviesos šaltinis (žibintuvėlis) būtų kuo toliau nuo saulės skydelio. Jei žibinto šviesą sukuria vienas šviesos diodas, tuo geriau.

• Išmatuokite nuo saulės skydelio centro ir aukštyn vieno metro atstumą ir pažymėkite jį strypu, siena ar pan.

• Prijunkite osciloskopo zondą prie saulės kolektoriaus gnybtų, laikydamiesi poliškumo.

• Osciloskopu teisingai nustatykite parinktį TRIGGER, kad būtų galima užfiksuoti visus įtampos pokyčius, kai praeina šešėlis ant skydelio. Mano atveju laiko padalijimai buvo 5 ms, o įtampos padalijimai skalėje - 500 mv. Nulinės įtampos liniją reikėjo reguliuoti žemyn, kad tilptų visi variantai. Trigerio slenkstis buvo šiek tiek žemiau pradinės pastovios įtampos.

• Išmatuokite objekto ilgį ir skydelio aktyviosios zonos ilgį, pridėkite juos ir užsirašykite, kad apskaičiuotumėte greitį.

• Nuleiskite kūną nuo 1 m aukščio, kad jo šešėlis nutrauktų žibinto projektuojamą šviesos spindulį.

• Osciloskopo žymekliais laiko skalėje išmatuokite įtampos kitimo laiką.

• Padalinkite anksčiau atliktų ilgių sumą tarp laiko, išmatuoto osciloskopu.

• Palyginkite vertę su teoriniais skaičiavimais ir padarykite išvadas (atsižvelkite į galimus veiksnius, sukeliančius matavimo klaidas).

Gauti rezultatai: žr

7 žingsnis: kai kurios eksperimento pastabos:

• Atrodo, kad gauti rezultatai atitinka teoriją.

• Šiam eksperimentui pasirinktas objektas nėra idealus, planuoju jį pakartoti su kitais, kurie gali projektuoti geriau apibrėžtą šešėlį ir kurie yra simetriški, kad būtų išvengta galimų sukimosi kritimo metu.

• Būtų idealu pastatyti skydelį ir žibintą ant atskirų stalų, paliekant laisvą vietą.

• Eksperimentas turėtų būti kartojamas keletą kartų, bandant kontroliuoti galimas matavimų klaidų priežastis, o norint gauti patikimesnius rezultatus, reikia naudoti statistinius metodus.

Šio projekto medžiagų ir prietaisų pasiūlymai: Nors manau, kad bet koks skaitmeninis osciloskopas, šviesos šaltinis ir saulės kolektorius galėtų veikti, čia yra tie, kuriuos naudoju.

ATTEN OSCILLOSCOPE

SAULĖS PANELĖ

BĖGIMAS

Visas medžiagas ir įrankius, naudojamus mano projektuose, galima įsigyti per „Ebay“. Jei spustelėsite šią nuorodą ir pirksite, prisidėsite prie nedidelio komisinio mokesčio.

EBAY.com

Lauksiu jūsų komentarų, klausimų ir pasiūlymų.

Ačiū ir sekite kitus mano projektus.