SOLAR PANEL AS SHADOW TRACKER: 7 βήματα (με εικόνες)

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

Ένα θεμελιώδες μέγεθος που χρησιμοποιείται στη Φυσική και άλλες επιστήμες για να περιγράψει τη μηχανική κίνηση είναι η ταχύτητα. Η μέτρησή του ήταν μια επαναλαμβανόμενη δραστηριότητα σε πειραματικά μαθήματα. Συνήθως χρησιμοποιώ βιντεοκάμερα και λογισμικό TRACKER για να μελετήσω την κίνηση ορισμένων αντικειμένων με τους μαθητές μου. Μια δυσκολία που έχουμε αντιμετωπίσει είναι: τα αντικείμενα που κινούνται με σχετικά υψηλές ταχύτητες εμφανίζονται θολά στα πλαίσια βίντεο, γεγονός που εισάγει αβεβαιότητες στις μετρήσεις που γίνονται με το λογισμικό. Οι πιο συνηθισμένες μέθοδοι και όργανα για τη μελέτη αντικειμένων με σχετικά μεγάλη ταχύτητα βασίζονται στο φαινόμενο DOPPLER και στους οπτικούς αισθητήρες σε συνδυασμό με το χρονογράφο.

Στο παρόν ΟΔΗΓΙΟ προσεγγίζω μια εναλλακτική πειραματική μέθοδο για τη μέτρηση της μέσης ταχύτητας ενός αντικειμένου με τη χρήση ηλιακού συλλέκτη και παλμογράφου. Εφαρμόζεται στα εργαστηριακά μαθήματα του αντικειμένου Φυσική (Κλασική Μηχανική), ιδίως στο θέμα: Κινηματική της μηχανικής κίνησης της μετάφρασης. Η προτεινόμενη μέθοδος και η πειραματική της εφαρμογή είναι ισχυρά εφαρμόσιμη σε άλλα πειραματικά καθήκοντα στο πεδίο της Φυσικής για μη απόφοιτους και πτυχιούχους. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε άλλα μαθήματα επιστήμης όπου μελετώνται αυτά τα περιεχόμενα.

Αν θέλετε να συντομεύσετε τα θεωρητικά θεμέλια και να πάτε απευθείας στην κατασκευή της πειραματικής συσκευής, πώς να εκτελέσετε τις μετρήσεις, τα υλικά που χρειάζεστε και τις εικόνες του σχεδίου μου, μεταβείτε απευθείας στο βήμα 6.

Βήμα 1: Μερική θεωρία:

Η «ταχύτητα» είναι γνωστή ως η απόσταση που διανύει ένα αντικείμενο σε ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Η ταχύτητα είναι η κλιμακωτή ποσότητα, δηλαδή το μέγεθος του διανύσματος ταχύτητας που απαιτεί επίσης την κατεύθυνση στην οποία συμβαίνουν οι αλλαγές της θέσης. Θα μιλήσουμε σε αυτό το ΟΔΗΓΙΟ για να μετρήσουμε την ταχύτητα, αλλά πραγματικά θα μετρήσουμε τη μέση ταχύτητα.

Βήμα 2: Μέτρηση ταχύτητας με ηλιακό πάνελ;

Οι ηλιακοί συλλέκτες είναι συσκευές που λειτουργούν σύμφωνα με την αρχή του φωτοηλεκτρικού φαινομένου και των οποίων η κύρια λειτουργία είναι η κυκλοφορία ηλεκτρικού ρεύματος στα κυκλώματα στα οποία χρησιμοποιούνται. Για παράδειγμα, τα ηλιακά πάνελ χρησιμοποιούνται για τη λειτουργία ορισμένων τύπων ρολογιών, φόρτισης μπαταριών κάθε είδους, επίσης σε συστήματα παραγωγής AC για το δημόσιο δίκτυο και σε σπίτια. Οι εφαρμογές είναι πολλές, η τιμή του στην αγορά είναι όλο και πιο ελκυστική και συμβάλλει στη βιώσιμη ανάπτυξη που είναι μεγάλη.

Λόγω της εξέλιξης αυτής της τεχνολογίας, την βρίσκουμε σε πολλές συσκευές, για παράδειγμα, αυτή που σας δείχνω εξήχθη από έναν φτηνό φακό που έσωσα και τώρα έχει νέα χρήση.

Η αρχή είναι βασική. Όταν ένα φως προβάλλεται πάνω από έναν πίνακα, προκαλεί διαφορά στην ηλεκτρική δυναμική (τάση) στους ακροδέκτες του. Όταν είναι συνδεδεμένο ένα βολτόμετρο, αυτό είναι εύκολα επαληθεύσιμο. Αυτή η διαφορά δυναμικού είναι υπεύθυνη για την κυκλοφορία ενός ηλεκτρικού ρεύματος όταν μια καταναλωτική συσκευή είναι συνδεδεμένη, για παράδειγμα, μια ηλεκτρική αντίσταση. Ανάλογα με την "σύνθετη αντίσταση" του κυκλώματος και τα χαρακτηριστικά του πίνακα, θα κυκλοφορεί περισσότερο ή λιγότερο ρεύμα. Σε σχέση με αυτό το ρεύμα, θα παρατηρηθεί πτώση τάσης στους ακροδέκτες του ηλιακού συλλέκτη μόλις συνδεθεί ο καταναλωτής, αλλά εάν η σύνθετη αντίσταση παραμείνει σταθερή, η τάση διατηρείται επίσης σταθερή όσο είναι και τα χαρακτηριστικά του φωτισμού. Τα βολτόμετρα έχουν γενικά υψηλή σύνθετη αντίσταση, οπότε επηρεάζουν ελάχιστα την τάση που μετράται μαζί τους. Τι θα συμβεί όμως αν αλλάξει ο φωτισμός; έτσι θα αλλάξει και η τάση και αυτή είναι η μεταβλητή που θα χρησιμοποιήσουμε.

Συνοψίζοντας:

• Ένας ηλιακός πίνακας όταν είναι φωτισμένος δείχνει μια τάση στους ακροδέκτες του που μπορεί να μετρηθεί με ένα βολτόμετρο.

• Η τάση δεν αλλάζει εάν η σύνθετη αντίσταση του κυκλώματος και τα χαρακτηριστικά του φωτισμού διατηρούνται σταθερά (πρέπει να βρίσκονται στο ευαίσθητο φάσμα του πίνακα για να συμβεί το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο).

• Οποιαδήποτε αλλαγή στον φωτισμό θα οδηγήσει σε διακύμανση της τάσης, μια μεταβλητή που θα χρησιμοποιηθεί αργότερα για να ληφθεί η ταχύτητα των αντικειμένων στα πειράματα.

Με βάση τις προηγούμενες προδιαγραφές θα μπορούσε να διατυπωθεί η ακόλουθη ιδέα:

Η προβαλλόμενη σκιά ενός αντικειμένου, που κινείται πάνω σε ένα ηλιακό πάνελ, θα προκαλέσει μείωση της τερματικής του τάσης. Ο χρόνος που απαιτείται για τη μείωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό της μέσης ταχύτητας με την οποία κινείται αυτό το αντικείμενο.

Βήμα 3: Αρχικό πείραμα

Στο προηγούμενο βίντεο παρουσιάζονται πειραματικά οι αρχές στις οποίες βασίζεται η προηγούμενη ιδέα.

Η εικόνα δείχνει τον χρόνο που κράτησε η διακύμανση της τάσης η οποία σχεδιάστηκε με παλμογράφο. Με τη σωστή διαμόρφωση της συνάρτησης σκανδάλης μπορείτε να αποκτήσετε το γράφημα στο οποίο μπορούμε να μετρήσουμε τον χρόνο που πέρασε κατά τη διάρκεια της παραλλαγής. Στη διαδήλωση, η διακύμανση ήταν περίπου 29,60ms.

Στην πραγματικότητα, το σχέδιο μαυροπίνακα στο πείραμα δεν είναι ένα αντικείμενο σημείου, έχει διαστάσεις. Το αριστερό άκρο της γόμας αρχίζει να προβάλλει τη σκιά του στον ηλιακό πίνακα και κατά συνέπεια αρχίζει να μειώνει την τάση σε μια ελάχιστη τιμή. Όταν η γόμα απομακρύνεται και ο πίνακας αρχίζει να ανακαλύπτεται ξανά, παρατηρείται αύξηση της τάσης. Ο συνολικός χρόνος που μετρήθηκε αντιστοιχεί στον χρόνο που χρειάστηκε για την προβολή της σκιάς να διανύσει ολόκληρο το πλαίσιο. Εάν μετρήσουμε το μήκος του αντικειμένου (το οποίο θα πρέπει να είναι ίσο με την προβολή της σκιάς του εάν φροντίζουμε) το προσθέτουμε με το μήκος της ενεργής ζώνης του πίνακα και το διαιρούμε μεταξύ του χρόνου που κράτησε η διακύμανση τάσης, τότε θα λάβουμε τον μέσο όρο ταχύτητας αυτού του αντικειμένου. Όταν το μήκος του αντικειμένου για τη μέτρηση της ταχύτητάς του είναι ποσοτικά υψηλότερο από την ενεργή ζώνη του πίνακα, ο πίνακας μπορεί να θεωρηθεί ως σημείο αντικείμενο χωρίς να εισαχθεί ένα αξιοσημείωτο σφάλμα στις μετρήσεις (αυτό σημαίνει ότι δεν προσθέτετε το μήκος του στο μήκος του αντικειμένου) Ε

Ας κάνουμε κάποιους υπολογισμούς (δείτε την εικόνα)

Βήμα 4: Για να εφαρμόσετε αυτήν τη μέθοδο, πρέπει να ληφθούν υπόψη ορισμένες προφυλάξεις

• Ο ηλιακός πίνακας πρέπει να φωτίζεται από την πηγή φωτός που παρέχεται στον πειραματικό σχεδιασμό, αποφεύγοντας στο μέτρο του δυνατού άλλες πηγές φωτός που τον επηρεάζουν.

• Οι ακτίνες φωτός πρέπει να χτυπάνε κάθετα στην επιφάνεια του ηλιακού συλλέκτη.

• Το αντικείμενο πρέπει να προβάλλει μια καλά καθορισμένη σκιά.

• Η επιφάνεια του πίνακα και του επιπέδου που περιέχει την κατεύθυνση κίνησης πρέπει να είναι παράλληλες.

Βήμα 5: Μια τυπική άσκηση

Προσδιορίστε την ταχύτητα μιας μπάλας που πέφτει από 1m ύψος, λάβετε υπόψη την αρχική ταχύτητα cero.

Εάν η μπάλα πέσει σε ελεύθερη πτώση είναι πολύ απλή: δείτε την εικόνα

Σε πραγματικές συνθήκες η προηγούμενη τιμή μπορεί να είναι χαμηλότερη λόγω της δράσης τριβής με τον αέρα. Ας το προσδιορίσουμε πειραματικά.

Βήμα 6: Σχεδιασμός, κατασκευή και εκτέλεση του πειράματος:

• Κολλήστε έναν πλαστικό σωλήνα στην ενεργή περιοχή του ηλιακού συλλέκτη. • Συγκολλήστε νέα καλώδια στους ακροδέκτες του ηλιακού συλλέκτη, ώστε να αποφεύγονται οι ψευδείς επαφές.

• Δημιουργήστε ένα στήριγμα για τη διάταξη του ηλιακού συλλέκτη-σωλήνα, ώστε να μπορεί να συγκρατηθεί οριζόντια.

• Τοποθετήστε έναν φακό ή άλλη πηγή φωτός σε ένα άλλο στήριγμα, έτσι ώστε η προβολή του εκπεμπόμενου φωτός να χτυπά τον ηλιακό πίνακα κάθετα.

• Ελέγξτε με ένα πολύμετρο ότι όταν χτυπήσει φως στο ηλιακό πάνελ, καταγράφεται σταθερή τιμή τάσης μεγαλύτερη από μηδέν.

• Τοποθετήστε το συγκρότημα του ηλιακού συλλέκτη-σωλήνα στο μπροστινό μέρος του φαναριού, αφήνοντας μεγαλύτερη απόσταση από το αντικείμενο του οποίου την ταχύτητα θέλετε να μετρήσετε. Προσπαθήστε να κρατήσετε όσο το δυνατόν περισσότερο την πηγή φωτός (φακό) από τον ηλιακό πίνακα. Εάν το φως του φαναριού δημιουργείται από ένα μόνο led, τόσο το καλύτερο.

• Μετρήστε από το κέντρο του ηλιακού συλλέκτη και πάνω απόσταση ενός μέτρου και σημειώστε το σε ράβδο, τοίχο ή παρόμοιο.

• Συνδέστε τον αισθητήρα του παλμογράφου στους ακροδέκτες του ηλιακού συλλέκτη, τηρώντας την πολικότητα.

• Ορίστε σωστά την επιλογή TRIGGER στο παλμογράφο, έτσι ώστε να καταγράφονται όλες οι μεταβολές τάσης κατά τη διέλευση της σκιάς στον πίνακα. Στην περίπτωσή μου τα χρονικά διαμερίσματα ήταν σε 5ms και τα τμήματα τάσης στην κλίμακα ήταν 500mv. Η γραμμή μηδενικών τάσεων έπρεπε να ρυθμιστεί προς τα κάτω, έτσι ώστε να ταιριάζει όλη η διακύμανση. Το κατώφλι σκανδάλης τοποθετήθηκε ακριβώς κάτω από την αρχική σταθερή τάση.

• Μετρήστε το μήκος του αντικειμένου και αυτό της ενεργής ζώνης του πίνακα, προσθέστε τα και γράψτε το για τον υπολογισμό της ταχύτητας.

• Ρίξτε το σώμα από το ύψος του 1m έτσι ώστε η σκιά του να διακόπτει τη δέσμη φωτός που προβάλλεται από το φανάρι.

• Μετρήστε το χρόνο της διακύμανσης της τάσης με τους δρομείς του παλμογράφου στην κλίμακα του χρόνου.

• Διαιρέστε το άθροισμα των μηκών που έγιναν προηγουμένως μεταξύ του χρόνου που μετρήθηκε στον παλμογράφο.

• Συγκρίνετε την τιμή με τους θεωρητικούς υπολογισμούς και καταλήξτε σε συμπεράσματα (λάβετε υπόψη πιθανούς παράγοντες που εισάγουν σφάλματα στη μέτρηση).

Αποτελέσματα που ελήφθησαν: βλέπε εικόνα

Βήμα 7: Μερικές σημειώσεις του πειράματος:

• Τα αποτελέσματα που λαμβάνονται φαίνεται να είναι σωστά σε αντιστοιχία με τη θεωρία.

• Το αντικείμενο που επιλέχθηκε για αυτό το πείραμα δεν είναι το ιδανικό, σκοπεύω να το επαναλάβω με άλλους που μπορούν να προβάλλουν μια καλύτερα καθορισμένη σκιά και είναι συμμετρικές για να αποφύγουν πιθανές περιστροφές κατά τη διάρκεια του φθινοπώρου.

• Θα ήταν ιδανικό να τοποθετήσετε τον σωλήνα και το φανάρι σε ξεχωριστά τραπέζια, αφήνοντας ελεύθερο χώρο κάτω.

• Το πείραμα θα πρέπει να επαναληφθεί αρκετές φορές, προσπαθώντας να ελέγξει τις πιθανές αιτίες σφαλμάτων στις μετρήσεις και θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν στατιστικές μέθοδοι για την επίτευξη πιο αξιόπιστων αποτελεσμάτων.

Προτάσεις υλικών και οργάνων για αυτό το έργο: Αν και πιστεύω ότι οποιοδήποτε ψηφιακό παλμογράφο, πηγή φωτός και ηλιακό πάνελ θα μπορούσαν να λειτουργήσουν, εδώ είναι αυτά που χρησιμοποιώ.

ATTEN OSCILLOSCOPE

ΗΛΙΑΚΑ ΠΑΝΕΛ

ΔΑΔΑ

Όλα τα υλικά και τα εργαλεία που χρησιμοποιούνται στα έργα μου μπορούν να αγοραστούν μέσω του Ebay. Εάν κάνετε κλικ στον παρακάτω σύνδεσμο και κάνετε μια αγορά, θα συνεισφέρετε για να λάβετε μια μικρή προμήθεια.

EBAY.com

Θα περιμένω τα σχόλια, τις ερωτήσεις και τις προτάσεις σας.

Σας ευχαριστώ και συνεχίστε με τα επόμενα έργα μου.