لوحة شمسية كمتتبع للظلال: 7 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:37

المقدار الأساسي المستخدم في الفيزياء والعلوم الأخرى لوصف الحركة الميكانيكية هو السرعة. لقد كان قياسه نشاطًا متكررًا في الفصول التجريبية. عادةً ما أستخدم كاميرا فيديو وبرنامج TRACKER لدراسة حركة كائنات معينة مع طلابي. إحدى الصعوبات التي واجهناها هي: أن الكائنات التي تتحرك بسرعات عالية نسبيًا تظهر ضبابية في إطارات الفيديو ، مما يؤدي إلى عدم اليقين في القياسات التي تم إجراؤها باستخدام البرنامج. تعتمد الطرق والأدوات الأكثر شيوعًا لدراسة الكائنات بسرعة عالية نسبيًا على تأثير DOPPLER وأجهزة الاستشعار البصرية المقترنة بالكرونوغراف.

في INSTRUCTABLE الحالي ، أقترب من طريقة تجريبية بديلة لقياس متوسط سرعة كائن باستخدام لوحة شمسية وراسم الذبذبات. وهي قابلة للتطبيق في الدروس المعملية الخاصة بموضوع الفيزياء (الميكانيكا الكلاسيكية) ، ولا سيما في موضوع: حركيات الحركة الميكانيكية للترجمة. الطريقة المقترحة وتطبيقها التجريبي قابلة للتطبيق بقوة على المهام التجريبية الأخرى ضمن تخصص الفيزياء لغير الخريجين والخريجين. ربما يتم استخدامه أيضًا في دورات العلوم الأخرى حيث يتم دراسة هذه المحتويات.

إذا كنت ترغب في اختصار الأسس النظرية والانتقال مباشرة إلى بناء الجهاز التجريبي ، وكيفية إجراء القياسات والمواد المطلوبة وصور تصميمي ، يرجى الانتقال مباشرة إلى الخطوة 6.

الخطوة الأولى: بعض النظرية:

تُعرف "السرعة" بالمسافة التي يقطعها جسم ما في فترة زمنية معينة. السرعة هي الكمية القياسية ، أي مقدار متجه السرعة الذي يتطلب أيضًا الاتجاه الذي تحدث فيه تغيرات الموضع. سنتحدث في هذا INSTRUCTABLE لقياس السرعة ، لكننا سنقوم حقًا بقياس متوسط السرعة.

الخطوة الثانية: قياس السرعة باستخدام الألواح الشمسية؟

الألواح الشمسية عبارة عن أجهزة تعمل وفقًا لمبدأ التأثير الكهروضوئي وتتمثل وظيفتها الرئيسية في تدوير تيار كهربائي في الدوائر التي يتم استخدامها فيها. على سبيل المثال ، تُستخدم الألواح الشمسية لتشغيل أنواع معينة من الساعات ، وشحن البطاريات بجميع أنواعها ، وأيضًا في أنظمة توليد التيار المتردد للشبكة العامة وفي المنازل. التطبيقات كثيرة ، وسعره في السوق جذاب بشكل متزايد ويساهم في التنمية المستدامة وهو أمر رائع.

نظرًا للتطور الذي شهدته هذه التقنية ، وجدناها في العديد من الأجهزة ، على سبيل المثال ، الجهاز الذي أريكم أنه تم استخراجه من مصباح يدوي رخيص قمت بحفظه وله الآن استخدام جديد.

المبدأ أساسي. عندما يتم عرض ضوء على لوحة ، فإنه يسبب اختلافًا في الجهد الكهربائي (الجهد) في أطرافه. عندما يتم توصيل الفولتميتر ، يمكن التحقق منه بسهولة. هذا الاختلاف في الجهد مسؤول عن دوران التيار الكهربائي عند توصيل جهاز المستهلك ، على سبيل المثال ، بمقاومة كهربائية. اعتمادًا على "مقاومة" الدائرة وخصائص اللوحة ، ستدور تيارًا أكثر أو أقل. فيما يتعلق بهذا التيار ، سيتم اختبار انخفاض الجهد في أطراف اللوحة الشمسية بمجرد توصيل المستهلك ، ولكن إذا ظلت الممانعة ثابتة ، فسيظل الجهد ثابتًا أيضًا طالما كانت خصائص الإضاءة أيضًا. تتمتع مقاييس الفولتميتر عمومًا بمقاومة عالية ، لذا فهي ستؤثر على القليل جدًا من الجهد الذي يتم قياسه بها. ولكن ماذا سيحدث إذا تغيرت الإضاءة؟ فكيف سيحدث الجهد وهذا هو المتغير الذي سنستخدمه.

تلخيص:

• تظهر اللوحة الشمسية عند إضاءتها جهدًا كهربائيًا على أطرافها يمكن قياسه باستخدام مقياس الفولتميتر.

• لا يتغير الجهد إذا بقيت مقاومة الدائرة وخصائص الإضاءة ثابتة (يجب أن تكون في الطيف الحساس للوحة حتى يحدث التأثير الكهروضوئي).

• أي تغيير في الإضاءة سيؤدي إلى اختلاف في الجهد ، وهو متغير سيتم استخدامه لاحقًا للحصول على سرعة الأجسام في التجارب.

بناءً على المبادئ السابقة يمكن صياغة الفكرة التالية:

سوف يتسبب الظل المسقط لجسم ما ، يتحرك على لوحة شمسية ، في انخفاض جهده الطرفي. يمكن استخدام الوقت الذي يستغرقه الانخفاض لحساب متوسط السرعة التي يتحرك بها هذا الكائن.

الخطوة 3: التجربة الأولية

في الفيديو السابق ، تم عرض المبادئ التي تستند إليها الفكرة السابقة بشكل تجريبي.

تُظهر الصورة الوقت الذي استمر فيه تباين الجهد والذي تم رسمه بواسطة مرسمة الذبذبات. من خلال التكوين الصحيح لوظيفة المشغل ، يمكنك الحصول على الرسم البياني الذي يمكننا من خلاله قياس الوقت المنقضي أثناء التغيير. في العرض التوضيحي ، كان الاختلاف حوالي 29.60 مللي ثانية.

في الواقع ، مسودة السبورة في التجربة ليست كائنًا نقطيًا ، بل لها أبعاد. يبدأ الطرف الأيسر من الممحاة في إبراز ظلها على اللوحة الشمسية ، وبالتالي تبدأ في تقليل الجهد إلى أدنى قيمة. عندما تتحرك الممحاة بعيدًا ويبدأ اكتشاف اللوحة مرة أخرى ، يُلاحظ زيادة في الجهد. يتوافق الوقت الإجمالي المقاس مع الوقت الذي استغرقه إسقاط الظل لسير اللوحة بأكملها. إذا قمنا بقياس طول الكائن (الذي يجب أن يكون مساويًا لإسقاط ظلها إذا أخذنا بعض الاهتمام) نضيفه بطول المنطقة النشطة للوحة ونقسمه بين الوقت الذي استمر فيه اختلاف الجهد ، ثم نحصل على متوسط سرعة ذلك الجسم. عندما يكون طول الكائن المراد قياس سرعته أعلى كميًا من المنطقة النشطة للوحة ، يمكن اعتبار اللوحة ككائن نقطي دون حدوث خطأ ملحوظ في القياسات (وهذا يعني عدم إضافة طوله إلى طول الكائن).

لنقم ببعض الحسابات (انظر الصورة)

الخطوة 4: لتطبيق هذه الطريقة ، يجب أخذ بعض الاحتياطات في الاعتبار

• يجب أن تضيء اللوحة الشمسية بمصدر الضوء المقدم في التصميم التجريبي ، مع تجنب مصادر الضوء الأخرى التي تؤثر عليها بقدر الإمكان.

• يجب أن تضرب أشعة الضوء بشكل عمودي على سطح الألواح الشمسية.

• يجب أن يعرض الكائن ظلًا محددًا جيدًا.

• يجب أن يكون سطح اللوحة والمستوى الذي يحتوي على اتجاه الحركة متوازيين.

الخطوة 5: تمرين نموذجي

حدد سرعة سقوط الكرة من ارتفاع 1 متر ، ضع في اعتبارك السرعة غير الرسمية cero.

إذا سقطت الكرة في السقوط الحر فإن الأمر بسيط للغاية: انظر الصورة

في الظروف الحقيقية ، قد تكون القيمة السابقة أقل بسبب تأثير الاحتكاك مع الهواء. دعنا نحددها تجريبيا.

الخطوة السادسة: تصميم وبناء وتنفيذ التجربة:

• قم بإلصاق أنبوب بلاستيكي بالمنطقة النشطة من الألواح الشمسية. • وصلات لحام جديدة إلى أطراف الألواح الشمسية بحيث يتم تجنب الاتصالات الخاطئة.

• قم بإنشاء دعامة لتجميع أنبوب الألواح الشمسية بحيث يمكن تثبيته أفقيًا.

• ضع مصباحًا يدويًا أو مصدر ضوء آخر على دعامة أخرى بحيث يضرب إسقاط الضوء المنبعث اللوحة الشمسية بشكل عمودي.

• تحقق باستخدام مقياس متعدد من أنه عندما يسقط ضوء على اللوحة الشمسية ، يتم تسجيل قيمة جهد ثابت أكبر من الصفر.

• ضع مجموعة أنبوب الألواح الشمسية على مقدمة الفانوس ، مع ترك فراغ أكبر من الجسم الذي تريد قياس سرعته. حاول الابتعاد قدر الإمكان عن مصدر الضوء (مصباح يدوي) من الألواح الشمسية. إذا تم إنشاء ضوء الفانوس بواسطة مصباح LED واحد ، كان ذلك أفضل.

• قم بالقياس من مركز اللوح الشمسي وما فوق مسافة متر واحد وقم بتمييزه في قضيب أو جدار أو ما شابه ذلك.

• قم بتوصيل مسبار الذبذبات بأطراف اللوحة الشمسية ، مع مراعاة القطبية.

• اضبط خيار TRIGGER بشكل صحيح على راسم الذبذبات ، بحيث يمكن تسجيل كل تغيرات الجهد أثناء مرور الظل على اللوحة. في حالتي ، كانت أقسام الوقت في 5 مللي ثانية وكانت أقسام الجهد في المقياس 500 مللي فولت. كان لابد من تعديل خط الفولتية الصفرية لأسفل بحيث تتناسب جميع الاختلافات. تم وضع عتبة الزناد أقل بقليل من الجهد الثابت الأولي.

• قم بقياس طول الكائن وطول المنطقة النشطة للوحة ، وقم بإضافتهما وكتابته لحساب السرعة.

• إسقاط الجسم من ارتفاع 1 متر بحيث يقطع ظلها شعاع الضوء المسقط من الفانوس.

• قم بقياس وقت تغير الجهد باستخدام مؤشرات الذبذبات على مقياس الوقت.

• اقسم مجموع الأطوال التي تم إجراؤها مسبقًا بين الوقت المقاس في مرسمة الذبذبات.

• قارن القيمة بالحسابات النظرية وتوصل إلى استنتاجات (ضع في الاعتبار العوامل المحتملة التي تسبب أخطاء في القياس).

النتائج التي تم الحصول عليها: انظر الموافقة المسبقة عن علم

الخطوة 7: بعض ملاحظات التجربة:

• النتائج التي تم الحصول عليها تبدو صحيحة بالتوافق مع النظرية.

• الكائن المحدد لهذه التجربة ليس مثالياً ، أخطط لتكراره مع الآخرين الذين يمكنهم إبراز ظل محدد بشكل أفضل ويكون متماثلًا لتجنب التدويرات المحتملة أثناء السقوط.

• كان من المثالي وضع أنبوب اللوحة والفانوس على طاولات منفصلة ، مع ترك مساحة خالية لأسفل.

• يجب تكرار التجربة عدة مرات ، ومحاولة السيطرة على الأسباب المحتملة للأخطاء في القياسات ، ويجب استخدام الأساليب الإحصائية للحصول على نتائج أكثر موثوقية.

اقتراحات للمواد والأدوات لهذا المشروع: على الرغم من أنني أعتقد أن أي راسم ذبذبات رقمي ومصدر ضوء ولوحة شمسية يمكن أن يعمل ، فإليك تلك التي أستخدمها.

ATTEN OSCILLOSCOPE

لوحة شمسية

شعلة

يمكن شراء جميع المواد والأدوات المستخدمة في مشاريعي من خلال موقع ئي باي. إذا قمت بالنقر فوق الرابط التالي وقمت بعملية شراء ، فسوف تساهم في الحصول على عمولة صغيرة.

EBAY.com

سأكون في انتظار التعليقات والأسئلة والاقتراحات.

شكرا لك ومواكبة مشاريعي القادمة.