SOLAR PANEL ALS SHADOW TRACKER - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:16

Eine grundlegende Größe, die in der Physik und anderen Wissenschaften verwendet wird, um mechanische Bewegungen zu beschreiben, ist die Geschwindigkeit. Es war eine wiederkehrende Aktivität in experimentellen Klassen, es zu messen. Normalerweise verwende ich eine Videokamera und eine TRACKER-Software, um mit meinen Schülern die Bewegung bestimmter Objekte zu studieren. Eine Schwierigkeit, die wir erlebt haben, ist: Objekte, die sich mit relativ hoher Geschwindigkeit bewegen, erscheinen in den Videobildern verschwommen, was zu Unsicherheiten bei den mit der Software durchgeführten Messungen führt. Die gängigsten Methoden und Instrumente zur Untersuchung von Objekten mit relativ hoher Geschwindigkeit basieren auf dem DOPPLER-Effekt und optischen Sensoren, die mit einem Chronographen gekoppelt sind.

In der vorliegenden INSTRUCTABLE nähere ich mich einer alternativen experimentellen Methode, um die durchschnittliche Geschwindigkeit eines Objekts mit einem Solarpanel und einem Oszilloskop zu messen. Es ist anwendbar im Laborunterricht des Faches Physik (Klassische Mechanik), insbesondere im Thema: Kinematik der mechanischen Translationsbewegung. Die vorgeschlagene Methode und ihre experimentelle Anwendung lassen sich hervorragend auf andere experimentelle Aufgaben innerhalb der Physik für Nicht-Absolventen und Absolventen anwenden. Es kann auch in anderen naturwissenschaftlichen Studiengängen verwendet werden, in denen diese Inhalte studiert werden.

Wenn Sie die theoretischen Grundlagen verkürzen und direkt zum Versuchsapparatebau, zur Durchführung der Messungen, den benötigten Materialien und den Bildern meiner Konstruktion gehen möchten, gehen Sie bitte direkt zu Schritt 6.

Schritt 1: Einige Theorie:

Die "Geschwindigkeit" ist die Entfernung, die ein Objekt in einem bestimmten Zeitintervall zurücklegt. Geschwindigkeit ist die skalare Größe, also der Betrag des Geschwindigkeitsvektors, der auch die Richtung erfordert, in der Positionsänderungen auftreten. Wir werden in diesem INSTRUCTABLE sprechen, um die Geschwindigkeit zu messen, aber wir werden wirklich die Durchschnittsgeschwindigkeit messen.

Schritt 2: Geschwindigkeitsmessung mit einem Solarpanel?

Sonnenkollektoren sind Geräte, die nach dem Prinzip des photoelektrischen Effekts arbeiten und deren Hauptfunktion darin besteht, einen elektrischen Strom in den Stromkreisen zu zirkulieren, in denen sie verwendet werden. So werden beispielsweise Solarpanels zum Betreiben bestimmter Uhrentypen, zum Laden von Batterien aller Art, auch in Wechselstromerzeugungsanlagen für das öffentliche Netz und in Haushalten eingesetzt. Die Anwendungen sind vielfältig, der Preis auf dem Markt wird immer attraktiver und trägt zu einer großartigen nachhaltigen Entwicklung bei.

Aufgrund der Entwicklung dieser Technologie finden wir sie in vielen Geräten, zum Beispiel wurde die, die ich Ihnen zeige, aus einer billigen Taschenlampe extrahiert, die ich gespeichert habe und jetzt eine neue Verwendung hat.

Das Prinzip ist grundlegend. Wenn ein Licht über ein Panel projiziert wird, verursacht es an seinen Anschlüssen einen Unterschied im elektrischen Potenzial (Spannung). Wenn ein Voltmeter angeschlossen ist, ist dies leicht nachprüfbar. Dieser Potentialunterschied ist verantwortlich für den Umlauf eines elektrischen Stroms, wenn ein Verbraucher angeschlossen wird, beispielsweise ein elektrischer Widerstand. Abhängig von der "Impedanz" des Stromkreises und den Eigenschaften des Panels wird mehr oder weniger Strom zirkulieren. Bezogen auf diesen Strom wird an den Klemmen des Solarpanels nach dem Zuschalten des Verbrauchers ein Spannungsabfall auftreten, bei konstanter Impedanz wird die Spannung aber auch konstant gehalten, solange die Charakteristik der Beleuchtung es auch ist. Voltmeter haben im Allgemeinen eine hohe Impedanz, sodass sie die mit ihnen gemessene Spannung nur sehr wenig beeinflussen. Aber was passiert, wenn sich die Beleuchtung ändert? Ebenso die Spannung und dies ist die Variable, die wir verwenden werden.

Zusammenfassend:

• Ein beleuchtetes Solarpanel zeigt an seinen Anschlüssen eine Spannung an, die mit einem Voltmeter gemessen werden kann.

• Die Spannung ändert sich nicht, wenn die Impedanz des Stromkreises und die Charakteristik der Beleuchtung konstant gehalten werden (muss im empfindlichen Spektrum des Panels liegen, damit der photoelektrische Effekt auftritt).

• Jede Änderung der Beleuchtung führt zu einer Variation der Spannung, eine Variable, die später verwendet wird, um die Geschwindigkeit der Objekte in den Experimenten zu erhalten.

Ausgehend von den bisherigen Grundsätzen könnte folgender Gedanke formuliert werden:

Der projizierte Schatten eines Objekts, das sich auf einem Solarpanel bewegt, führt zu einer Verringerung seiner Klemmenspannung. Die Zeit, die für die Verringerung benötigt wird, kann verwendet werden, um die durchschnittliche Geschwindigkeit zu berechnen, mit der sich das Objekt bewegt.

Schritt 3: Erstes Experiment

Im vorherigen Video werden die Prinzipien, auf denen die vorherige Idee basiert, experimentell gezeigt.

Das Bild zeigt die Dauer der Spannungsänderung, die mit einem Oszilloskop aufgezeichnet wurde. Durch die richtige Konfiguration der Triggerfunktion erhalten Sie den Graphen, an dem wir die während der Variation verstrichene Zeit messen können. In der Demonstration betrug die Abweichung ungefähr 29,60 ms.

Tatsächlich ist der Tafelentwurf im Experiment kein Punktobjekt, sondern hat Dimensionen. Das linke Ende des Radierers beginnt seinen Schatten auf das Solarpanel zu projizieren und beginnt folglich die Spannung auf einen minimalen Wert zu senken. Wenn sich der Radierer wegbewegt und das Panel wieder entdeckt wird, ist ein Spannungsanstieg zu sehen. Die gemessene Gesamtzeit entspricht der Zeit, die die Schattenprojektion benötigt, um das gesamte Panel zu durchlaufen. Wenn wir die Länge des Objekts messen (die bei gewissen Vorkehrungen der Projektion seines Schattens entsprechen sollte), addieren wir sie mit der Länge der aktiven Zone des Panels und teilen sie zwischen der Dauer der Spannungsänderung, dann erhalten wir den Geschwindigkeitsmittelwert dieses Objekts. Wenn die Länge des Objekts, um seine Geschwindigkeit zu messen, quantitativ größer als die aktive Zone des Panels ist, kann das Panel als Punktobjekt betrachtet werden, ohne einen nennenswerten Fehler in die Messungen einzubringen (dies bedeutet, dass seine Länge nicht zur Objektlänge addiert wird)..

Machen wir einige Berechnungen (siehe Bild)

Schritt 4: Um diese Methode anzuwenden, müssen einige Vorsichtsmaßnahmen berücksichtigt werden

• Das Solarpanel muss mit der im Versuchsplan vorgesehenen Lichtquelle beleuchtet werden, wobei andere Lichtquellen möglichst nicht beeinflusst werden.

• Die Lichtstrahlen müssen senkrecht auf die Oberfläche des Solarpanels treffen.

• Das Objekt muss einen wohldefinierten Schatten projizieren.

• Die Plattenoberfläche und die Bewegungsrichtungsebene müssen parallel sein.

Schritt 5: Eine typische Übung

Bestimmen Sie die Geschwindigkeit eines fallenden Balls aus 1m Höhe, betrachten Sie die Anfangsgeschwindigkeit null.

Wenn der Ball im freien Fall fällt, ist es ganz einfach: siehe Bild

Unter realen Bedingungen kann der vorherige Wert aufgrund der Reibung mit der Luft niedriger sein. Lassen Sie es uns experimentell bestimmen.

Schritt 6: Design, Konstruktion und Durchführung des Experiments:

• Kleben Sie einen Kunststoffschlauch auf die aktive Fläche des Solarpanels. • Löten Sie neue Leitungen an die Solarpanel-Anschlüsse, um Fehlkontakte zu vermeiden.

• Erstellen Sie eine Halterung für die Solarpanel-Rohr-Baugruppe, damit sie horizontal gehalten werden kann.

• Stellen Sie eine Taschenlampe oder eine andere Lichtquelle auf eine andere Unterlage, sodass die Projektion des emittierten Lichts senkrecht auf das Solarpanel trifft.

• Prüfen Sie mit einem Multimeter, dass beim Auftreffen eines Lichts auf das Solarpanel ein konstanter Spannungswert größer Null aufgezeichnet wird.

• Platzieren Sie die Sonnenkollektor-Rohr-Einheit auf der Vorderseite der Laterne und lassen Sie einen größeren Abstand als das Objekt, dessen Geschwindigkeit Sie messen möchten. Versuchen Sie, die Lichtquelle (Taschenlampe) so weit wie möglich vom Solarpanel fernzuhalten. Wenn das Licht der Laterne von einer einzigen LED erzeugt wird, desto besser.

• Messen Sie von der Mitte des Solarpanels einen Meter nach oben und markieren Sie es in einem Stab, einer Wand oder ähnlichem.

• Schließen Sie den Tastkopf des Oszilloskops an die Anschlüsse des Solarpanels an und achten Sie dabei auf die Polarität.

• Stellen Sie am Oszilloskop die Option TRIGGER richtig ein, damit alle Spannungsschwankungen während des Schattendurchgangs auf dem Panel aufgezeichnet werden können. In meinem Fall waren die Zeitteilungen in 5ms und die Spannungsteilungen in der Skala waren 500mv. Die Nullspannungslinie musste nach unten angepasst werden, damit alle Variationen passen. Die Triggerschwelle wurde knapp unter der anfänglichen konstanten Spannung platziert.

• Messen Sie die Länge des Objekts und der aktiven Zone des Panels, addieren Sie diese und notieren Sie sie für die Geschwindigkeitsberechnung.

• Lassen Sie den Körper aus 1 m Höhe fallen, sodass sein Schatten den von der Laterne projizierten Lichtstrahl unterbricht.

• Messen Sie die Zeit der Spannungsänderung mit den Oszilloskop-Cursors auf der Zeitskala.

• Teilen Sie die Summe der zuvor gemachten Längen zwischen der im Oszilloskop gemessenen Zeit.

• Vergleichen Sie den Wert mit den theoretischen Berechnungen und ziehen Sie Schlussfolgerungen (berücksichtigen Sie mögliche Faktoren, die zu Messfehlern führen).

Erzielte Ergebnisse: siehe Bild

Schritt 7: Einige Notizen des Experiments:

• Die erhaltenen Ergebnisse scheinen der Theorie entsprechend korrekt zu sein.

• Das für dieses Experiment ausgewählte Objekt ist nicht ideal, ich plane, es mit anderen zu wiederholen, die einen besser definierten Schatten projizieren können und die symmetrisch sind, um mögliche Rotationen während des Herbstes zu vermeiden.

• Ideal wäre es gewesen, das Paneelrohr und die Laterne auf separaten Tischen zu positionieren und so unten einen freien Platz zu lassen.

• Das Experiment sollte mehrmals wiederholt werden, um mögliche Fehlerursachen in den Messungen zu kontrollieren und statistische Methoden zu verwenden, um zuverlässigere Ergebnisse zu erhalten.

Vorschläge für Materialien und Instrumente für dieses Projekt: Obwohl ich glaube, dass jedes digitale Oszilloskop, jede Lichtquelle und jedes Solarpanel funktionieren könnte, sind hier die, die ich verwende.

ATTEN OSZILLOSKOP

SONNENKOLLEKTOR

FACKEL

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Ich warte auf Ihre Kommentare, Fragen und Anregungen.

Danke und mach weiter so mit meinen nächsten Projekten.