Aurinkopaneeli varjoseurantalaitteena: 7 vaihetta (kuvilla)

2025 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2025-01-23 14:41

Fysiikassa ja muissa tieteissä mekaanisen liikkeen kuvaamiseen käytetty perusaste on nopeus. Sen mittaaminen on ollut toistuvaa toimintaa kokeellisissa luokissa. Käytän yleensä videokameraa ja TRACKER -ohjelmistoa opiskellessani tiettyjen esineiden liikettä. Yksi havaitsemamme vaikeus on: suhteellisen suurella nopeudella liikkuvat kohteet näyttävät videokehyksissä epäselviltä, mikä aiheuttaa epävarmuutta ohjelmistolla tehdyissä mittauksissa. Yleisimmät menetelmät ja instrumentit kohteiden tutkimiseen suhteellisen suurella nopeudella perustuvat DOPPLER -tehosteeseen ja optisiin antureihin yhdistettynä kronografiin.

Tässä OHJEESSA lähestyn vaihtoehtoista kokeellista menetelmää kohteen keskimääräisen nopeuden mittaamiseksi aurinkopaneelin ja oskilloskoopin avulla. Sitä voidaan soveltaa aineen fysiikka (klassinen mekaniikka) laboratoriotunneilla, erityisesti aiheessa: Kääntämisen mekaanisen liikkeen kinematiikka. Ehdotettu menetelmä ja sen kokeellinen sovellus soveltuvat tehokkaasti muihin fysiikan kurinalaisiin kokeellisiin tehtäviin sekä valmistuneille että valmistuneille. Sitä voidaan käyttää myös muilla tieteen kursseilla, joilla näitä sisältöjä tutkitaan.

Jos haluat lyhentää teoreettisia perusteita ja siirtyä suoraan kokeellisen laitteiston rakentamiseen, mittausten suorittamiseen, tarvittaviin materiaaleihin ja suunnitelmani kuviin, siirry suoraan vaiheeseen 6.

Vaihe 1: Jotkut teoriat:

"Nopeus" tunnetaan objektin kulkemana tietyn ajanjakson aikana. Nopeus on skalaarinen määrä, eli nopeusvektorin suuruus, joka vaatii myös suunnan, jossa sijainnin muutokset tapahtuvat. Puhumme tässä OHJEELLISESSA nopeuden mittaamiseen, mutta todella mittaamme keskinopeutta.

Vaihe 2: Nopeuden mittaaminen aurinkopaneelilla?

Aurinkopaneelit ovat laitteita, jotka toimivat valosähköisen vaikutuksen periaatteen mukaisesti ja joiden pääasiallinen tehtävä on kiertää sähkövirtaa piireissä, joissa niitä käytetään. Esimerkiksi aurinkopaneeleja käytetään tietyntyyppisten kellojen käyttämiseen, kaikenlaisten akkujen lataamiseen, myös julkisen verkon vaihtovirtageneraatiojärjestelmissä ja kodeissa. Sovelluksia on monia, sen hinta markkinoilla on yhä houkuttelevampi ja edistää kestävää kehitystä.

Tämän tekniikan kehityksen vuoksi löydämme sen monista laitteista, esimerkiksi se, jonka näytän sinulle, on otettu tallentamastani halvasta taskulampusta, jolla on nyt uusi käyttö.

Periaate on perus. Kun valo heijastuu paneelin päälle, se aiheuttaa eroja sähköisessä potentiaalissa (jännitteessä) sen liittimissä. Kun volttimittari on kytketty, tämä on helppo todentaa. Tämä potentiaaliero on vastuussa sähkövirran liikkeestä, kun kuluttajalaite on kytketty, esimerkiksi sähkövastus. Riippuen piirin "impedanssista" ja paneelin ominaisuuksista, se kiertää enemmän tai vähemmän virtaa. Tähän virtaan verrattuna jännitehäviö koetaan aurinkopaneelin liittimissä, kun kuluttaja on kytketty, mutta jos impedanssi pysyy vakiona, jännite pidetään myös vakiona niin kauan kuin valaistuksen ominaisuudet ovat. Volttimittarilla on yleensä korkea impedanssi, joten ne vaikuttavat hyvin vähän niiden kanssa mitattavaan jännitteeseen. Mutta mitä tapahtuu, jos valaistus muuttuu ?, niin myös jännite ja tämä on muuttuja, jota käytämme.

Yhteenveto:

• Aurinkopaneeli palaa, kun sen liittimissä on jännite, joka voidaan mitata voltimetrillä.

• Jännite ei muutu, jos piirin impedanssi ja valaistusominaisuudet pidetään vakioina (niiden on oltava paneelin herkällä spektrillä, jotta valosähköinen vaikutus syntyy).

• Kaikki valaistuksen muutokset johtavat jännitteen vaihteluun, muuttujaan, jota käytetään myöhemmin kokeiden kohteiden nopeuden saamiseen.

Edellisten määräysten perusteella voitaisiin muotoilla seuraava ajatus:

Aurinkopaneelilla liikkuva esineen ennustettu varjo aiheuttaa sen päätejännitteen laskua. Vähenemiseen kuluvaa aikaa voidaan käyttää laskemaan kohteen keskimääräinen nopeus.

Vaihe 3: Ensimmäinen kokeilu

Edellisessä videossa periaatteet, joihin edellinen idea perustuu, esitetään kokeellisesti.

Kuvassa näkyy aika, jonka jännitteen vaihtelu kesti ja joka piirrettiin oskilloskoopilla. Määrittämällä liipaisutoiminnon oikein voit saada kaavion, johon voimme mitata kuluneen ajan vaihtelun aikana. Esittelyssä vaihtelu oli noin 29,60 ms.

Itse asiassa kokeilun liitutaulun luonnos ei ole piste -objekti, sillä on mitat. Pyyhekumin vasen pää alkaa heijastaa varjoaan aurinkopaneeliin ja alkaa siten laskea jännitettä minimiarvoon. Kun pyyhekumi siirtyy pois ja paneeli alkaa löytyä uudelleen, jännite kasvaa. Kokonaisaika vastaa aikaa, joka kului varjon heijastamiseen koko paneelin kuljettamiseen. Jos mittaamme kohteen pituuden (jonka pitäisi olla yhtä suuri kuin sen varjon projektio, jos otamme tiettyjä huolenaiheita), lisäämme sen paneelin aktiivisen vyöhykkeen pituuteen ja jaamme sen jännitevaihtelun keston ajan, silloin saamme kyseisen objektin nopeuskeskiarvon. Kun kohteen pituus sen nopeuden mittaamiseksi on kvantitatiivisesti suurempi kuin paneelin aktiivinen vyöhyke, paneelia voidaan pitää pistekohteena aiheuttamatta huomattavaa virhettä mittauksissa (se tarkoittaa, että sen pituutta ei lisätä objektin pituuteen).

Tehdään laskelmia (katso kuva)

Vaihe 4: Tämän menetelmän soveltamiseksi on otettava huomioon joitakin varotoimia

• Aurinkopaneelin on oltava valaistu kokeellisessa suunnittelussa olevalla valonlähteellä välttäen mahdollisuuksien mukaan muita siihen vaikuttavia valonlähteitä.

• Valonsäteiden on osuttava kohtisuoraan aurinkopaneelin pintaan.

• Objektin on projisoitava hyvin määritelty varjo.

• Paneelin pinnan ja liikesuunnan sisältävän tason on oltava yhdensuuntaiset.

Vaihe 5: Tyypillinen harjoitus

Määritä putoavan pallon nopeus 1 metrin korkeudesta, harkitse aloitusnopeuden nollaa.

Jos pallo putoaa vapaapudotuksessa, se on hyvin yksinkertaista: katso kuva

Todellisissa olosuhteissa edellinen arvo voi olla pienempi johtuen ilman kitkasta. Määritetään se kokeellisesti.

Vaihe 6: Kokeilun suunnittelu, rakentaminen ja toteutus:

• Kiinnitä muoviputki aurinkopaneelin aktiiviseen alueeseen. • Juotetaan uudet johdot aurinkopaneelin liittimiin, jotta vältytään vääriltä kosketuksilta.

• Luo tuki aurinkopaneeliputkikokoonpanolle, jotta sitä voidaan pitää vaakasuorassa.

• Aseta taskulamppu tai muu valonlähde toisen tuen päälle niin, että säteilevän valon heijastus osuu aurinkopaneeliin kohtisuoraan.

• Tarkista yleismittarilla, että kun valo osuu aurinkopaneeliin, tallennetaan vakio jännitearvo, joka on suurempi kuin nolla.

• Aseta aurinkopaneeli-putkikokoonpano lyhdyn etuosaan jättäen enemmän tilaa kuin esine, jonka nopeuden haluat mitata. Yritä pitää valonlähde (taskulamppu) mahdollisimman kaukana aurinkopaneelista. Jos lyhdyn valo luodaan yhdellä ledillä, sen parempi.

• Mittaa aurinkopaneelin keskeltä ylöspäin yhden metrin etäisyys ja merkitse se tankoon, seinään tai vastaavaan.

• Liitä oskilloskoopin anturi aurinkopaneelin liittimiin napaisuutta kunnioittaen.

• Aseta TRIGGER -vaihtoehto oikein oskilloskoopille, jotta kaikki jännitteen vaihtelut voidaan tallentaa paneelin varjon kulkiessa. Minun tapauksessani aikajaot olivat 5 ms ja asteikon jännitejaot olivat 500 mv. Nollajännitejohtoa oli säädettävä alaspäin, jotta kaikki vaihtelut sopisivat. Liipaisukynnys asetettiin juuri alkuperäisen vakiojännitteen alapuolelle.

• Mittaa kohteen ja paneelin aktiivisen vyöhykkeen pituus, lisää ne ja kirjoita se ylös nopeuden laskemista varten.

• Pudota runko 1 metrin korkeudelta niin, että sen varjo keskeyttää lyhdyn heijastaman valonsäteen.

• Mittaa jännitevaihtelun aika oskilloskooppikohdistimilla aika -asteikolla.

• Jaa aikaisemmin tehtyjen pituuksien summa oskilloskoopilla mitatun ajan välillä.

• Vertaa arvoa teoreettisiin laskelmiin ja tee johtopäätöksiä (ota huomioon mahdolliset tekijät, jotka aiheuttavat virheitä mittauksessa).

Tulokset: katso kuva

Vaihe 7: Jotkut kokeilun huomautukset:

• Saadut tulokset näyttävät pitävän paikkansa teorian mukaisesti.

• Tähän kokeeseen valittu objekti ei ole ihanteellinen, aion toistaa sen muiden kanssa, jotka voivat heijastaa paremmin määritellyn varjon ja jotka ovat symmetrisiä, jotta vältetään mahdolliset pyörimiset syksyllä.

• Paneeliputki ja lyhty olisi ollut ihanteellinen sijoittaa erillisille pöydille jättäen vapaata tilaa alaspäin.

• Koe on toistettava useita kertoja, ja sen avulla on voitava hallita mittausten virheiden mahdollisia syitä, ja tilastollisia menetelmiä on käytettävä luotettavampien tulosten saamiseksi.

Ehdotuksia materiaaleista ja välineistä tätä hanketta varten: Vaikka uskon, että kaikki digitaaliset oskilloskoopit, valonlähteet ja aurinkopaneelit voivat toimia, tässä ovat ne, joita käytän.

OSTELE OSCILLOSCOPE

AURINKOPANEELI

TORCH

Kaikki projektissani käytetyt materiaalit ja työkalut voidaan ostaa Ebayn kautta. Jos napsautat seuraavaa linkkiä ja teet ostoksen, saat pienen palkkion.

EBAY.com

Odotan kommentteja, kysymyksiä ja ehdotuksia.

Kiitos ja pysy seuraavissa projekteissani.