SOLAR PANEL TACHOMETER: 5 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:37

I INSTRUKTABEL "Solpanel som skuggspårare" presenterades en experimentell metod för att bestämma ett objekts hastighet från projektion av dess skugga på en solpanel. Är det möjligt att tillämpa någon variant av denna metod för att studera roterande objekt? Ja det är möjligt. Därefter presenteras en enkel experimentell apparat som gör det möjligt att mäta periodens och rotationsfrekvensen för ett objekt. Denna experimentella apparat kan användas under studiet av ämnet "Fysik: klassisk mekanik", särskilt under studiet av ämnet "Rotation av styva föremål". Det är potentiellt användbart med grund- och doktorander under experimentella demonstrationer eller laboratoriekurser.

Steg 1: Några teoretiska anteckningar

När ett fast föremål roterar runt en axel, beskriver dess delar omkretsar som är koncentriska till den axeln. Den tid det tar för en av dessa parter att slutföra omkretsen kallas rotationsperiod. Period och frekvens är ömsesidiga storheter. I det internationella systemet för enheter anges perioden i sekunder och frekvensen i Hertz (Hz). Vissa instrument för att mäta rotationsfrekvensen ger värdena i varv per minut (rpm). För att konvertera från Hz till rpm, multiplicera helt enkelt värdet med 60 så får du varvtalet.

Steg 2: Material och instrument

• Liten solpanel (100mm * 28mm)

• LED -ficklampa

• Reflekterande tejp

• Svart eltejp

• Elektrisk kabel

• Buntband

• Het silikonpistol

• Lödkolv och tenn

• Tre träbitar (45 mm * 20 mm * 10 mm)

• Digitalt oscilloskop med sond

• Roterande objekt som du vill mäta rotationsfrekvensen till

Steg 3: Driftsprincip

När ljus träffar ett föremål absorberas en del och en annan reflekteras. Beroende på ytans egenskaper och föremålets färg kan det reflekterade ljuset vara mer eller mindre intensivt. Om egenskaperna hos en del av ytan ändras godtyckligt, låt oss säga genom att måla den eller genom att fästa den på en silver- eller svart tejp, kan vi avsiktligt orsaka en förändring i ljusets intensitet som reflekteras i det området. Här skulle vi inte göra en "SHADOW TRACKING" men vi skulle orsaka en förändring av egenskaperna hos den reflekterade belysningen. Om ett föremål när det roterar belyses av en ljuskälla och en solpanel är korrekt placerad, så att en del av det reflekterade ljuset faller på det, måste en spänning visas vid dess terminaler. Denna spänning har ett direkt samband med ljusintensiteten den mottar. Om vi ändrar ytan ändras intensiteten hos det reflekterade ljuset och med det panelens spänning. Denna panel kan anslutas till ett oscilloskop och identifiera variationer i spänning med avseende på tid. Om vi kan identifiera en koherent och repetitiv förändring i kurvan, mäta den tid det tar att upprepa sig, skulle vi bestämma rotationsperioden och med den, rotationsfrekvensen indirekt om vi beräknar den. Vissa oscilloskop kan automatiskt beräkna dessa värden, men ur undervisningens synvinkel är det produktivt för eleverna att beräkna det. För att förenkla denna experimentella aktivitet kunde vi initialt använda objekt som roterar med konstant varvtal och helst symmetriska med avseende på dess rotationsaxel.

Sammanfattning:

1. Ett föremål som roterar kontinuerligt reflekterar ljuset som faller på det.

2. Intensiteten hos det ljus som reflekteras av det roterande föremålet beror på färgen och egenskaperna hos dess yta.

3. Spänningen som visas på solpanelen beror på intensiteten hos det reflekterade ljuset.

4. Om egenskaperna hos en del av ytan avsiktligt ändras, kommer ljusintensiteten för ljuset som reflekteras i den delen också att förändras och spänningen i solpanelen medföljer.

5. Objektets period under rotation kan bestämmas genom att mäta tiden som förflutit mellan två punkter med identiska spännings- och beteendevärden med hjälp av ett oscilloskop.

Steg 4: Design, konstruktion och genomförande av experimentet

1. Löd två elektriska ledare till solpanelen. 2. Täck över de elektriska kontakterna på panelen med varm silikon för att undvika kortslutning.

3. Bygg trästödet genom att foga ihop med het silikon eller annat lim de tre träbitarna som visas på bilden.

4. Fäst solpanelen på trästödet med het silikon som visas på bilden.

5. Fäst lyktan på trästödet som visas på bilden och säkra den med plastband.

6. Fäst panelens elektriska ledare med en annan fläns på trästödet.

7. Klistra in föremålet du vill studera ett band med svart tejp och sedan ett silverband som visas på bilden.

8. Starta rotationen av objektet du vill studera.

9. Anslut oscilloskopproben korrekt till solpanelens ledare.

10. Ställ in ditt oscilloskop korrekt. I mitt fall var spänningsindelningarna 500mv och tidsdelningarna 25ms (det beror på objektets rotationshastighet).

11. Placera experimentapparaten som du just monterat i en position där ljusstrålarna reflekteras på ytan som roterar och träffar solpanelen (hjälp dig själv från det du ser i oscilloskopet för att få en kurva med mer uttalade förändringar).

12. Håll försöksapparaten fixerad i rätt position i några sekunder för att se om kurvens resultat förblir konstanta.

13. Stoppa oscilloskopet och analysera kurvan för att avgöra vilka positioner som motsvarar den svarta tejpen och vilka med silvertejpen. I mitt fall, eftersom elmotorn som jag studerade var gyllene, blev de förändringar som bandet orsakade mer märkbara.

14. Använd oscilloskopmarkörerna för att mäta den förflutna tiden mellan punkterna med faslikhet, först för bandet och sedan för silverbandet och jämföra dem (de måste vara desamma).

15. Om ditt oscilloskop inte automatiskt beräknar periodens invers (frekvens), gör det. Du kan multiplicera det tidigare värdet med 60 och därmed få varvtalet.

16. Om du har värdet kv eller varv per volt (om det är en motor som erbjuder dessa egenskaper) multiplicera värdet kv med ingångsspänningen, jämför resultatet med det som du erhöll under experimentet och kom fram till Slutsatser.

Steg 5: Några slutanteckningar och rekommendationer

• Det är praktiskt att initialt kontrollera kalibreringsstatusen för ditt oscilloskop för att få tillförlitliga resultat (använd kalibreringssignalen från oscilloskopet, som vanligtvis är 1 kHz).
• Justera din oscilloskopprobe korrekt. Du bör se rektangulära pulser som inte deformeras om du använder signalen som genereras av oscilloskopet själv (se bild).
• Undersök den elektriska responstiden med tillverkaren av din solpanel (datablad). I mitt fall var den mycket lägre än rotationsperioden för elmotorn som jag studerade, så jag tänkte inte på dess påverkan på de mätningar jag gjorde.
• Jämför resultaten med denna metod med de som erhålls med ett kommersiellt instrument och överväg fördelar och nackdelar med båda.

Som alltid kommer jag att vara uppmärksam på dina förslag, kommentarer och frågor. Lycka till och fortsätt med mina kommande projekt!

Tvåa i klassrummet Science Contest