ΤΑΧΟΜΕΤΡΟ ΗΛΙΑΚΟΥ ΠΙΝΑΚΑ: 5 Βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:32

Στο ΟΔΗΓΙΟ "Solar Panel as a Shadow Tracker", παρουσιάστηκε μια πειραματική μέθοδος για τον προσδιορισμό της ταχύτητας ενός αντικειμένου από την προβολή της σκιάς του σε έναν ηλιακό πίνακα. Είναι δυνατόν να εφαρμοστεί κάποια παραλλαγή αυτής της μεθόδου για τη μελέτη περιστρεφόμενων αντικειμένων; Ναι είναι δυνατόν. Στη συνέχεια, θα παρουσιαστεί μια απλή πειραματική συσκευή που θα καταστήσει δυνατή τη μέτρηση της περιόδου και της συχνότητας περιστροφής ενός αντικειμένου. Αυτή η πειραματική συσκευή μπορεί να χρησιμοποιηθεί κατά τη διάρκεια της μελέτης του θέματος "Φυσική: Κλασική Μηχανική", ιδιαίτερα κατά τη μελέτη του θέματος "Περιστροφή άκαμπτων αντικειμένων". Είναι δυνητικά χρήσιμο σε προπτυχιακούς και μεταπτυχιακούς φοιτητές, κατά τη διάρκεια πειραματικών επιδείξεων ή εργαστηριακών μαθημάτων.

Βήμα 1: Μερικές θεωρητικές σημειώσεις

Όταν ένα στερεό αντικείμενο περιστρέφεται γύρω από έναν άξονα, τα μέρη του περιγράφουν περιφέρειες ομόκεντρες προς αυτόν. Ο χρόνος που απαιτείται για ένα από αυτά τα μέρη για να συμπληρώσει την περιφέρεια ονομάζεται περίοδος περιστροφής. Η περίοδος και η συχνότητα είναι αμοιβαία μεγέθη. Στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων η περίοδος δίνεται σε δευτερόλεπτα (ες) και η συχνότητα σε Hertz (Hz). Ορισμένα όργανα για τη μέτρηση της συχνότητας περιστροφής δίνουν τις τιμές σε περιστροφές ανά λεπτό (σ.α.λ.). Για να μετατρέψετε από Hz σε rpm, απλά πολλαπλασιάστε την τιμή με 60 και θα λάβετε τις στροφές ανά λεπτό.

Βήμα 2: Υλικά και όργανα

• Μικρό ηλιακό πάνελ (100mm * 28mm)

• Φακός LED

• Ανακλαστική κολλητική ταινία

• Μαύρη ηλεκτρική ταινία

• Ηλεκτρικό καλώδιο

• Κορδόνια καλωδίων

• Καυτό πιστόλι σιλικόνης

• Συγκόλληση σιδήρου και κασσίτερου

• Τρία κομμάτια ξύλου (45mm * 20mm * 10mm)

• Digitalηφιακό παλμογράφο με τον αισθητήρα του

• Περιστρεφόμενο αντικείμενο στο οποίο θέλετε να μετρήσετε τη συχνότητα περιστροφής του

Βήμα 3: Αρχή λειτουργίας

Όταν το φως χτυπά ένα αντικείμενο, ένα μέρος απορροφάται και ένα άλλο ανακλάται. Ανάλογα με τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας και το χρώμα του αντικειμένου, το ανακλώμενο φως μπορεί να είναι περισσότερο ή λιγότερο έντονο. Εάν τα χαρακτηριστικά ενός μέρους της επιφάνειας αλλάξουν αυθαίρετα, ας πούμε ζωγραφίζοντάς το ή κολλώντας το σε ασημί ή μαύρη κολλητική ταινία, θα μπορούσαμε σκόπιμα να προκαλέσουμε αλλαγή στην ένταση του φωτός που αντανακλάται σε εκείνη την περιοχή. Εδώ δεν θα κάναμε "ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ ΣΚΙΑΣ" αλλά θα προκαλούσαμε αλλαγή στα χαρακτηριστικά του ανακλώμενου φωτισμού. Εάν ένα αντικείμενο όταν περιστρέφεται φωτίζεται από μια πηγή φωτός και ένα ηλιακό πάνελ έχει τοποθετηθεί σωστά, έτσι ώστε ένα τμήμα του ανακλώμενου φωτός να πέφτει πάνω του, πρέπει να εμφανιστεί τάση στους ακροδέκτες του. Αυτή η τάση έχει άμεση σχέση με την ένταση του φωτός που δέχεται. Αν αλλάξουμε την επιφάνεια, αλλάζει η ένταση του ανακλώμενου φωτός και μαζί της και η τάση του πίνακα. Αυτός ο πίνακας θα μπορούσε να συνδεθεί με έναν παλμογράφο και να εντοπίσει τις διακυμάνσεις της τάσης σε σχέση με το χρόνο. Εάν μπορούμε να εντοπίσουμε μια συνεκτική και επαναλαμβανόμενη αλλαγή στην καμπύλη, μετρώντας το χρόνο που χρειάζεται για να επαναληφθεί, θα καθορίσουμε την περίοδο περιστροφής και μαζί της, τη συχνότητα περιστροφής έμμεσα εάν την υπολογίσουμε. Ορισμένα παλμογράφοι είναι σε θέση να υπολογίζουν αυτόματα αυτές τις τιμές, αλλά από την άποψη της διδασκαλίας, είναι παραγωγικό να το υπολογίσουν οι μαθητές. Για να απλοποιήσουμε αυτήν την πειραματική δραστηριότητα θα μπορούσαμε αρχικά να χρησιμοποιήσουμε αντικείμενα που περιστρέφονται σε σταθερές στροφές και κατά προτίμηση συμμετρικά ως προς τον άξονα περιστροφής του.

Συνοψίζοντας:

1. Ένα αντικείμενο που περιστρέφεται συνεχώς αντανακλά το φως που πέφτει πάνω του.

2. Η ένταση του φωτός που αντανακλάται από το περιστρεφόμενο αντικείμενο εξαρτάται από το χρώμα και τα χαρακτηριστικά της επιφάνειάς του.

3. Η τάση που εμφανίζεται στον ηλιακό πίνακα εξαρτάται από την ένταση του ανακλώμενου φωτός.

4. Εάν τα χαρακτηριστικά ενός μέρους της επιφάνειας αλλάξουν σκόπιμα, η φωτεινή ένταση του φωτός που αντανακλάται σε αυτό το μέρος θα αλλάξει επίσης και μαζί με αυτήν η τάση στον ηλιακό πίνακα.

5. Η περίοδος του αντικειμένου κατά την περιστροφή μπορεί να προσδιοριστεί μετρώντας τον χρόνο που μεσολαβεί μεταξύ δύο σημείων με πανομοιότυπες τιμές τάσης και συμπεριφοράς με τη βοήθεια ενός παλμογράφου.

Βήμα 4: Σχεδιασμός, κατασκευή και εκτέλεση του πειράματος

1. Συγκολλήστε δύο ηλεκτρικούς αγωγούς στον ηλιακό πίνακα. 2. Καλύψτε τις ηλεκτρικές επαφές στον πίνακα με καυτή σιλικόνη για να αποφύγετε βραχυκυκλώματα.

3. Φτιάξτε το ξύλινο στήριγμα ενώνοντας με ζεστή σιλικόνη ή άλλη κόλλα τα τρία κομμάτια ξύλου όπως φαίνεται στην εικόνα.

4. Κολλήστε το ηλιακό πάνελ στο ξύλινο στήριγμα με καυτή σιλικόνη όπως φαίνεται στην εικόνα.

5. Κολλήστε το φανάρι στο ξύλινο στήριγμα όπως φαίνεται στην εικόνα και στερεώστε το με πλαστικές γραβάτες.

6. Ασφαλίστε τους ηλεκτρικούς αγωγούς του πίνακα με μια άλλη φλάντζα στο ξύλινο στήριγμα.

7. Επικόλληση στο αντικείμενο που θέλετε να μελετήσετε μια ταινία μαύρης ταινίας και στη συνέχεια μια ασημένια ταινία όπως φαίνεται στην εικόνα.

8. Ξεκινήστε την περιστροφή του αντικειμένου που θέλετε να μελετήσετε.

9. Συνδέστε σωστά τον αισθητήρα παλμογράφου στους αγωγούς του ηλιακού πίνακα.

10. Ρυθμίστε σωστά τον παλμογράφο σας. Στην περίπτωσή μου, τα τμήματα τάσης ήταν 500mv και τα χρονικά διαστήματα 25ms (θα εξαρτηθεί από την ταχύτητα περιστροφής του αντικειμένου).

11. Τοποθετήστε την πειραματική συσκευή που μόλις συναρμολογήσατε σε μια θέση όπου οι ακτίνες φωτός αντανακλώνται στην επιφάνεια που περιστρέφεται και χτυπά τον ηλιακό πίνακα (βοηθήστε τον εαυτό σας από αυτό που βλέπετε στον παλμογράφο να αποκτήσετε μια καμπύλη με πιο έντονες αλλαγές).

12. Διατηρήστε την πειραματική συσκευή σταθερή στη σωστή θέση για μερικά δευτερόλεπτα για να δείτε αν τα αποτελέσματα της καμπύλης παραμένουν σταθερά.

13. Σταματήστε τον παλμογράφο και αναλύστε την καμπύλη για να προσδιορίσετε ποιες θέσεις αντιστοιχούν στη μαύρη ταινία και ποιες στην ασημένια ταινία. Στην περίπτωσή μου, δεδομένου ότι ο ηλεκτροκινητήρας που σπούδασα ήταν χρυσός, οι αλλαγές που προκλήθηκαν από την ταινία έγιναν πιο αισθητές.

14. Χρησιμοποιώντας τους δρομείς του παλμογράφου, μετρήστε τον χρόνο που έχει παρέλθει μεταξύ των σημείων με ισότητα φάσης, πρώτα για την ταινία και μετά για την ασημένια κορδέλα και συγκρίνετε τα (πρέπει να είναι τα ίδια).

15. Εάν ο παλμογράφος σας δεν υπολογίζει αυτόματα το αντίστροφο της περιόδου (συχνότητα), κάντε το. Μπορείτε να πολλαπλασιάσετε την προηγούμενη τιμή με 60 και έτσι να λάβετε τις στροφές.

16. Εάν έχετε την τιμή kv ή περιστροφές ανά βολτ (στην περίπτωση που πρόκειται για κινητήρα που προσφέρει αυτά τα χαρακτηριστικά) πολλαπλασιάστε την τιμή kv με την τάση εισόδου, συγκρίνετε το αποτέλεσμα με αυτό που λάβατε κατά τη διάρκεια του πειράματος και φτάστε στο συμπεράσματα.

Βήμα 5: Μερικές τελικές σημειώσεις και συστάσεις

• Είναι βολικό να ελέγξετε αρχικά την κατάσταση βαθμονόμησης του παλμογράφου σας για να λάβετε αξιόπιστα αποτελέσματα (χρησιμοποιήστε το σήμα βαθμονόμησης που προσφέρει το παλμογράφο, το οποίο είναι γενικά 1 kHz).
• Ρυθμίστε σωστά τον αισθητήρα παλμογράφου. Θα πρέπει να δείτε ορθογώνιους παλμούς να μην παραμορφώνονται εάν χρησιμοποιείτε το σήμα που παράγεται από τον ίδιο τον παλμογράφο (δείτε την εικόνα).
• Ερευνήστε τον χρόνο ηλεκτρικής απόκρισης με τον κατασκευαστή του ηλιακού σας συλλέκτη (φύλλο δεδομένων). Στην περίπτωσή μου ήταν πολύ χαμηλότερη από την περίοδο περιστροφής του ηλεκτροκινητήρα που σπούδασα, οπότε δεν εξέτασα την επιρροή του στις μετρήσεις που έκανα.
• Συγκρίνετε τα αποτελέσματα που λαμβάνονται με αυτήν τη μέθοδο με αυτά που λαμβάνονται από ένα εμπορικό όργανο και εξετάστε τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα και των δύο.

Όπως πάντα θα είμαι προσεκτικός στις προτάσεις, τα σχόλια και τις ερωτήσεις σας. Καλή επιτυχία και συνεχίστε με τα επερχόμενα έργα μου!

Επόμενος στον Διαγωνισμό Επιστήμης στην Τάξη