ZONNEPANEEL ALS SCHADUWTRACKER - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:15

Een fundamentele grootheid die in de natuurkunde en andere wetenschappen wordt gebruikt om mechanische beweging te beschrijven, is snelheid. Het meten ervan is een terugkerende activiteit in experimentele klassen. Ik gebruik meestal een videocamera en TRACKER-software om de beweging van bepaalde objecten met mijn studenten te bestuderen. Een moeilijkheid die we hebben ondervonden is: objecten die met relatief hoge snelheden bewegen, verschijnen wazig in de videoframes, wat onzekerheid introduceert in de metingen die met de software zijn gedaan. De meest gebruikelijke methoden en instrumenten voor het bestuderen van objecten met relatief hoge snelheid zijn gebaseerd op het DOPPLER-effect en optische sensoren in combinatie met een chronograaf.

In de huidige INSTRUCTABLE benader ik een alternatieve experimentele methode om de gemiddelde snelheid van een object te meten met behulp van een zonnepaneel en een oscilloscoop. Het is toepasbaar in de lablessen van het vak Natuurkunde (Klassieke Mechanica), in het bijzonder in het onderwerp: Kinematica van de mechanische beweging van translatie. De voorgestelde methode en de experimentele toepassing ervan is krachtig toepasbaar op andere experimentele taken binnen de discipline natuurkunde voor niet-afgestudeerden en afgestudeerden. Het kan ook worden gebruikt in andere wetenschappelijke cursussen waar deze inhoud wordt bestudeerd.

Als je de theoretische basis wilt inkorten en direct naar de experimentele apparaatconstructie wilt gaan, hoe je de metingen, de benodigde materialen en de afbeeldingen van mijn ontwerp wilt uitvoeren, ga dan direct naar stap 6.

Stap 1: Enige theorie:

De "snelheid" staat bekend als de afstand die een object in een bepaald tijdsinterval aflegt. Snelheid is de scalaire grootheid, dat wil zeggen de grootte van de snelheidsvector die ook de richting vereist waarin positieveranderingen plaatsvinden. We zullen in dit INSTRUCTIEBOEK praten om snelheid te meten, maar we zullen echt de gemiddelde snelheid meten.

Stap 2: Snelheid meten met een zonnepaneel?

Zonnepanelen zijn apparaten die werken volgens het principe van het foto-elektrisch effect en waarvan de belangrijkste functie is om een elektrische stroom te laten circuleren in de circuits waarin ze worden gebruikt. Zonnepanelen worden bijvoorbeeld gebruikt om bepaalde soorten horloges te laten werken, allerlei soorten batterijen op te laden, ook in AC-opwekkingssystemen voor het openbare netwerk en in huizen. De toepassingen zijn talrijk, de prijs in de markt wordt steeds aantrekkelijker en draagt bij aan duurzame ontwikkeling, wat geweldig is.

Door de ontwikkeling van deze technologie die we hebben meegemaakt, vinden we het in veel apparaten, bijvoorbeeld degene die ik je laat zien, is geëxtraheerd uit een goedkope zaklamp die ik heb bewaard en nu een nieuw gebruik heeft.

Het principe is basaal. Wanneer een licht over een paneel wordt geprojecteerd, veroorzaakt het een verschil in elektrische potentiaal (spanning) op de klemmen. Wanneer een voltmeter is aangesloten, is dit eenvoudig te controleren. Dit potentiaalverschil is verantwoordelijk voor de circulatie van een elektrische stroom wanneer een consumentenapparaat is aangesloten, bijvoorbeeld een elektrische weerstand. Afhankelijk van de "impedantie" van de schakeling en de eigenschappen van het paneel, zal deze meer of minder stroom circuleren. In relatie tot deze stroom zal een spanningsval optreden op de klemmen van het zonnepaneel zodra de verbruiker is aangesloten, maar als de impedantie constant blijft, wordt de spanning ook constant gehouden zolang de kenmerken van de verlichting dat ook zijn. Voltmeters hebben over het algemeen een hoge impedantie, zodat ze weinig invloed hebben op de spanning die ermee wordt gemeten. Maar wat gebeurt er als de verlichting verandert?, dus ook de spanning en dit is de variabele die we zullen gebruiken.

Samenvatten:

• Wanneer een zonnepaneel verlicht is, staat er een spanning op de klemmen die gemeten kan worden met een voltmeter.

• De spanning verandert niet als de impedantie van het circuit en de kenmerken van de verlichting constant worden gehouden (moet in het gevoelige spectrum van het paneel liggen om het foto-elektrisch effect te laten optreden).

• Elke verandering in de verlichting zal leiden tot een variatie in de spanning, een variabele die later zal worden gebruikt om de snelheid van de objecten in de experimenten te verkrijgen.

Op basis van de voorgaande leefregels zou het volgende idee kunnen worden geformuleerd:

De geprojecteerde schaduw van een object dat op een zonnepaneel beweegt, zal een afname van de klemspanning veroorzaken. De tijd die nodig is voor de afname kan worden gebruikt om de gemiddelde snelheid te berekenen waarmee dat object beweegt.

Stap 3: Eerste experiment

In de vorige video worden de principes waarop het vorige idee is gebaseerd experimenteel getoond.

De afbeelding toont de tijd dat de spanningsvariatie duurde die werd uitgezet door een oscilloscoop. Door de triggerfunctie correct te configureren, kunt u de grafiek verkrijgen waaraan we de verstreken tijd tijdens de variatie kunnen meten. In de demonstratie was de variatie ongeveer 29,60 ms.

Het schoolbordconcept in het experiment is eigenlijk geen puntobject, het heeft afmetingen. Het linker uiteinde van de gum begint zijn schaduw op het zonnepaneel te projecteren en begint bijgevolg de spanning tot een minimumwaarde te verlagen. Wanneer de gum weggaat en het paneel opnieuw wordt ontdekt, wordt een toename van de spanning waargenomen. De totale gemeten tijd komt overeen met de tijd die de projectie van de schaduw nodig had om het hele paneel af te leggen. Als we de lengte van het object meten (die gelijk zou moeten zijn aan de projectie van zijn schaduw als we bepaalde voorzorgsmaatregelen nemen), tellen we deze op bij de lengte van de actieve zone van het paneel en verdelen deze tussen de tijd dat de spanningsvariatie duurde, dan zullen we het snelheidsgemiddelde van dat object verkrijgen. Wanneer de lengte van het object om zijn snelheid te meten kwantitatief hoger is dan de actieve zone van het paneel, kan het paneel worden beschouwd als een puntobject zonder een opmerkelijke fout in de metingen te introduceren (dit betekent dat de lengte niet wordt toegevoegd aan de objectlengte).

Laten we wat berekeningen doen (zie foto)

Stap 4: Om deze methode toe te passen, moeten enkele voorzorgsmaatregelen in acht worden genomen

• Het zonnepaneel moet worden verlicht door de lichtbron die in het proefopzet is voorzien, waarbij zoveel mogelijk andere lichtbronnen worden vermeden.

• De lichtstralen moeten loodrecht op het oppervlak van het zonnepaneel vallen.

• Het object moet een goed gedefinieerde schaduw projecteren.

• Het oppervlak van het paneel en het vlak met de bewegingsrichting moeten evenwijdig zijn.

Stap 5: Een typische oefening

Bepaal de snelheid van een vallende bal vanaf 1m hoogte, denk aan beginsnelheid cero.

Als de bal in een vrije val valt, is het heel eenvoudig: zie foto

In reële omstandigheden kan de vorige waarde lager zijn als gevolg van wrijving met de lucht. Laten we het experimenteel bepalen.

Stap 6: Ontwerp, constructie en uitvoering van het experiment:

• Plak een plastic buis op het actieve gebied van het zonnepaneel. • Soldeer nieuwe draden aan de zonnepaneelklemmen zodat valse contacten worden vermeden.

• Maak een steun voor de zonnepaneel-buisconstructie zodat deze horizontaal kan worden gehouden.

• Plaats een zaklamp of andere lichtbron op een andere drager zodat de projectie van het uitgestraalde licht loodrecht op het zonnepaneel valt.

• Controleer met een multimeter of wanneer een licht op het zonnepaneel valt, een constante spanningswaarde groter dan nul wordt geregistreerd.

• Plaats het zonnepaneel-buissamenstel op de voorkant van de lantaarn, laat een grotere ruimte vrij dan het object waarvan u de snelheid wilt meten. Probeer de lichtbron (zaklamp) zo ver mogelijk van het zonnepaneel weg te houden. Als het licht van de lantaarn wordt gecreëerd door een enkele led, hoe beter.

• Meet vanaf het midden van het zonnepaneel naar boven een afstand van één meter en markeer deze in een staaf, muur of iets dergelijks.

• Sluit de sonde van de oscilloscoop aan op de klemmen van het zonnepaneel, rekening houdend met de polariteit.

• Stel de TRIGGER optie correct in op de oscilloscoop, zodat alle spanningsvariaties geregistreerd kunnen worden tijdens het passeren van de schaduw op het paneel. In mijn geval waren de tijdverdelingen in 5ms en de spanningsverdelingen in de schaal waren 500mv. De lijn van nulspanningen moest naar beneden worden aangepast, zodat alle variatie zou passen. De triggerdrempel werd net onder de aanvankelijke constante spanning geplaatst.

• Meet de lengte van het object en die van de actieve zone van het paneel, tel deze op en noteer deze voor de berekening van de snelheid.

• Laat het lichaam vallen van een hoogte van 1 m zodat de schaduw de lichtstraal die door de lantaarn wordt geprojecteerd, onderbreekt.

• Meet de tijd van de spanningsvariatie met de oscilloscoopcursors op de tijdschaal.

• Verdeel de som van de eerder gemaakte lengtes tussen de in de oscilloscoop gemeten tijd.

• Vergelijk de waarde met de theoretische berekeningen en kom tot conclusies (houd rekening met mogelijke factoren die fouten in de meting introduceren).

Resultaten verkregen: zie foto

Stap 7: Enkele opmerkingen over het experiment:

• De verkregen resultaten lijken correct in overeenstemming met de theorie.

• Het voor dit experiment geselecteerde object is niet ideaal, ik ben van plan het te herhalen met anderen die een beter gedefinieerde schaduw kunnen projecteren en die symmetrisch zijn om mogelijke rotaties tijdens de herfst te voorkomen.

• Het was ideaal geweest om de paneelbuis en de lantaarn op aparte tafels te plaatsen, zodat er een vrije ruimte naar beneden bleef.

• Het experiment moet meerdere keren worden herhaald, waarbij wordt geprobeerd de mogelijke oorzaken van fouten in de metingen onder controle te houden en statistische methoden moeten worden gebruikt om betrouwbaardere resultaten te verkrijgen.

Suggesties voor materialen en instrumenten voor dit project: Hoewel ik geloof dat elke digitale oscilloscoop, lichtbron en zonnepaneel zou kunnen werken, zijn hier degenen die ik gebruik.

LET OP OSCILLOSCOOP

ZONNEPANEEL

FAKKEL

Alle materialen en gereedschappen die in mijn projecten worden gebruikt, kunnen via Ebay worden gekocht. Als u op de volgende link klikt en een aankoop doet, draagt u bij aan een kleine commissie.

EBAY.com

Ik wacht op uw opmerkingen, vragen en suggesties.

Bedankt en blijf op de hoogte van mijn volgende projecten.