PANNELLO SOLARE COME TRACCIATORE DI OMBRE: 7 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:00

Una grandezza fondamentale utilizzata in fisica e in altre scienze per descrivere il movimento meccanico è la velocità. Misurarlo è stata un'attività ricorrente nelle classi sperimentali. Di solito uso una videocamera e un software TRACKER per studiare il movimento di determinati oggetti con i miei studenti. Una difficoltà che abbiamo riscontrato è: gli oggetti che si muovono a velocità relativamente elevate appaiono sfocati nei fotogrammi video, il che introduce incertezze nelle misurazioni effettuate con il software. I metodi e gli strumenti più comuni per lo studio di oggetti a velocità relativamente elevate si basano sull'effetto DOPPLER e sui sensori ottici accoppiati al cronografo.

Nel presente INSTRUCTABLE mi avvicino a un metodo sperimentale alternativo per misurare la velocità media di un oggetto con l'uso di un pannello solare e un oscilloscopio. È applicabile nelle lezioni di laboratorio della materia Fisica (Meccanica Classica), in particolare nell'argomento: Cinematica del movimento meccanico di traslazione. Il metodo proposto e la sua applicazione sperimentale è potentemente applicabile ad altri compiti sperimentali all'interno della disciplina fisica per laureati e non. Può essere utilizzato anche in altri corsi di scienze in cui vengono studiati questi contenuti.

Se vuoi accorciare le basi teoriche e passare direttamente alla costruzione dell'apparato sperimentale, come eseguire le misurazioni, i materiali necessari e le immagini del mio progetto, vai direttamente al passaggio 6.

Passaggio 1: un po' di teoria:

La "velocità" è nota come la distanza percorsa da un oggetto in un determinato intervallo di tempo. La velocità è la grandezza scalare, cioè il modulo del vettore velocità che richiede anche la direzione in cui avvengono i cambiamenti di posizione. Parleremo in questo INSTRUCTABLE per misurare la velocità, ma misureremo davvero la velocità media.

Passaggio 2: misurare la velocità con un pannello solare?

I pannelli solari sono dispositivi che funzionano secondo il principio dell'effetto fotoelettrico e la cui funzione principale è quella di far circolare una corrente elettrica nei circuiti in cui vengono utilizzati. Ad esempio, i pannelli solari vengono utilizzati per far funzionare alcuni tipi di orologi, caricare batterie di ogni tipo, anche nei sistemi di generazione di corrente alternata per la rete pubblica e nelle abitazioni. Le applicazioni sono molte, il suo prezzo sul mercato è sempre più attraente e contribuisce allo sviluppo sostenibile che è grande.

A causa dello sviluppo che questa tecnologia ha sperimentato la ritroviamo in molti dispositivi, ad esempio quella che vi mostro è stata estratta da una torcia economica che ho salvato e ora ha un nuovo utilizzo.

Il principio è fondamentale. Quando una luce viene proiettata su un pannello, provoca una differenza di potenziale elettrico (tensione) ai suoi terminali. Quando un voltmetro è collegato questo è facilmente verificabile. Questa differenza di potenziale è responsabile della circolazione di una corrente elettrica quando è collegato un dispositivo di consumo, ad esempio una resistenza elettrica. A seconda della "impedenza" del circuito e delle caratteristiche del pannello, circolerà più o meno corrente. In relazione a questa corrente si verificherà una caduta di tensione ai terminali del pannello solare una volta collegata l'utenza, ma se l'impedenza rimane costante, anche la tensione si mantiene costante finché lo sono anche le caratteristiche dell'illuminazione. I voltmetri hanno generalmente un'alta impedenza, quindi influenzeranno molto poco la tensione che viene misurata con loro. Ma cosa succede se cambia l'illuminazione?, così sarà la tensione e questa è la variabile che useremo.

Riassumendo:

• Un pannello solare quando è illuminato mostra una tensione sui suoi terminali che può essere misurata con un voltmetro.

• La tensione non cambia se l'impedenza del circuito e le caratteristiche dell'illuminazione sono mantenute costanti (deve trovarsi nello spettro sensibile del pannello perché si verifichi l'effetto fotoelettrico).

• Qualsiasi cambiamento nell'illuminazione porterà ad una variazione della tensione, una variabile che verrà utilizzata in seguito per ottenere la velocità degli oggetti negli esperimenti.

Sulla base dei precetti precedenti si potrebbe formulare la seguente idea:

L'ombra proiettata di un oggetto, spostandosi su un pannello solare provocherà una diminuzione della sua tensione terminale. Il tempo necessario per la diminuzione può essere utilizzato per calcolare la velocità media con cui quell'oggetto si muove.

Passaggio 3: esperimento iniziale

Nel video precedente vengono mostrati sperimentalmente i principi su cui si basa l'idea precedente.

L'immagine mostra il tempo di durata della variazione di tensione che è stato tracciato da un oscilloscopio. Configurando correttamente la funzione trigger si ottiene il grafico a cui misurare il tempo trascorso durante la variazione. Nella dimostrazione, la variazione era di circa 29,60 ms.

In realtà, la bozza della lavagna nell'esperimento non è un oggetto puntuale, ha delle dimensioni. L'estremità sinistra della gomma inizia a proiettare la sua ombra sul pannello solare e di conseguenza inizia a diminuire la tensione al minimo. Quando la gomma si allontana e il pannello ricomincia a essere scoperto, si nota un aumento di tensione. Il tempo totale misurato corrisponde al tempo impiegato dalla proiezione dell'ombra per percorrere l'intero pannello. Se misuriamo la lunghezza dell'oggetto (che dovrebbe essere uguale alla proiezione della sua ombra se prendiamo certe precauzioni) la sommiamo con la lunghezza della zona attiva del pannello e la dividiamo tra il tempo in cui è durata la variazione di tensione, quindi otterremo la velocità media di quell'oggetto. Quando la lunghezza dell'oggetto da misurare la sua velocità è quantitativamente superiore alla zona attiva del pannello, il pannello può essere considerato come un oggetto puntiforme senza introdurre un notevole errore nelle misurazioni (significa non sommare la sua lunghezza alla lunghezza dell'oggetto).

Facciamo alcuni calcoli (vedi foto)

Passaggio 4: per applicare questo metodo è necessario prendere in considerazione alcune precauzioni

• Il pannello solare deve essere illuminato dalla sorgente luminosa prevista nel disegno sperimentale, evitando per quanto possibile altre sorgenti luminose che lo influenzino.

• I raggi luminosi devono colpire perpendicolarmente alla superficie del pannello solare.

• L'oggetto deve proiettare un'ombra ben definita.

• La superficie del pannello e il piano contenente la direzione di movimento devono essere paralleli.

Passaggio 5: un esercizio tipico

Determina la velocità di una palla che cade da 1 m di altezza, considera la velocità iniziale cero.

Se la palla cade in caduta libera è molto semplice: vedi foto

In condizioni reali il valore precedente può essere inferiore a causa dell'azione di attrito con l'aria. Determiniamolo sperimentalmente.

Fase 6: Progettazione, Costruzione ed Esecuzione dell'Esperimento:

• Attaccare un tubo di plastica all'area attiva del pannello solare. • Saldare nuovi cavi ai terminali del pannello solare in modo da evitare falsi contatti.

• Creare un supporto per l'assieme pannello solare-tubo in modo che possa essere tenuto in orizzontale.

• Posizionare una torcia o altra fonte di luce su un altro supporto in modo che la proiezione della luce emessa colpisca perpendicolarmente il pannello solare.

• Verificare con un multimetro che quando una luce colpisce il pannello solare, venga registrato un valore di tensione costante maggiore di zero.

• Posizionare il gruppo pannello solare-tubo sulla parte anteriore della lanterna, lasciando uno spazio maggiore rispetto all'oggetto di cui si desidera misurare la velocità. Cerca di tenere il più lontano possibile la fonte di luce (torcia) dal pannello solare. Se la luce della lanterna è creata da un singolo led, meglio è.

• Misurare dal centro del pannello solare e verso l'alto una distanza di un metro e segnarlo su un'asta, una parete o simili.

• Collegare la sonda dell'oscilloscopio ai terminali del pannello solare, rispettando la polarità.

• Impostare correttamente l'opzione TRIGGER sull'oscilloscopio, in modo che tutte le variazioni di tensione possano essere registrate durante il passaggio dell'ombra sul pannello. Nel mio caso le divisioni temporali erano in 5 ms e le divisioni di tensione nella scala erano 500 mv. La linea delle tensioni zero doveva essere regolata verso il basso in modo che tutta la variazione si adattasse. La soglia di trigger è stata posta appena al di sotto della tensione costante iniziale.

• Misurare la lunghezza dell'oggetto e quella della zona attiva del pannello, sommarle e annotarla per il calcolo della velocità.

• Lasciare cadere il corpo dall'altezza di 1 m in modo che la sua ombra interrompa il raggio di luce proiettato dalla lanterna.

• Misurare il tempo della variazione di tensione con i cursori dell'oscilloscopio sulla scala dei tempi.

• Dividere la somma delle lunghezze precedentemente effettuate tra il tempo misurato nell'oscilloscopio.

• Confrontare il valore con i calcoli teorici e giungere a conclusioni (tenere conto di possibili fattori che introducono errori nella misurazione).

Risultati ottenuti: vedi foto

Passaggio 7: alcune note dell'esperimento:

• I risultati ottenuti sembrano essere corretti in corrispondenza della teoria.

• L'oggetto selezionato per questo esperimento non è l'ideale, ho intenzione di ripeterlo con altri che possano proiettare un'ombra meglio definita e che siano simmetrici per evitare possibili rotazioni durante la caduta.

• Sarebbe stato ideale posizionare il pannello-tubo e la lanterna su tavoli separati, lasciando uno spazio libero verso il basso.

• L'esperimento dovrebbe essere ripetuto più volte, cercando di controllare le possibili cause di errori nelle misurazioni e dovrebbero essere utilizzati metodi statistici per ottenere risultati più affidabili.

Suggerimenti di materiali e strumenti per questo progetto: Anche se credo che qualsiasi oscilloscopio digitale, fonte di luce e pannello solare possa funzionare, ecco quelli che uso.

OSCILLOSCOPIO ATTEN

PANNELLO SOLARE

TORCIA

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Aspetterò i vostri commenti, domande e suggerimenti.

Grazie e continuate con i miei prossimi progetti.