PANNEAU SOLAIRE COMME TRACKER D'OMBRE : 7 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:05

Une grandeur fondamentale utilisée en physique et dans d'autres sciences pour décrire le mouvement mécanique est la vitesse. La mesurer a été une activité récurrente dans les classes expérimentales. J'utilise généralement une caméra vidéo et un logiciel TRACKER pour étudier le mouvement de certains objets avec mes élèves. Une difficulté que nous avons rencontrée est la suivante: les objets qui se déplacent à des vitesses relativement élevées apparaissent flous dans les images vidéo, ce qui introduit des incertitudes dans les mesures effectuées avec le logiciel. Les méthodes et instruments les plus courants pour l'étude d'objets à relativement grande vitesse sont basés sur l'effet DOPPLER et des capteurs optiques couplés à un chronographe.

Dans le présent INSTRUCTABLE, j'aborde une méthode expérimentale alternative pour mesurer la vitesse moyenne d'un objet à l'aide d'un panneau solaire et d'un oscilloscope. Elle est applicable dans les cours de laboratoire de la matière Physique (Mécanique Classique), en particulier dans le sujet: Cinématique du mouvement mécanique de translation. La méthode proposée et son application expérimentale sont puissamment applicables à d'autres tâches expérimentales au sein de la discipline de la physique pour les non-diplômés et les diplômés. Il peut également être utilisé dans d'autres cours de sciences où ces contenus sont étudiés.

Si vous souhaitez raccourcir les bases théoriques et passer directement à la construction de l'appareil expérimental, comment effectuer les mesures, les matériaux nécessaires et les images de ma conception, veuillez passer directement à l'étape 6.

Étape 1: Un peu de théorie:

La « vitesse » est connue comme la distance parcourue par un objet dans un certain intervalle de temps. La vitesse est la quantité scalaire, c'est-à-dire l'amplitude du vecteur vitesse qui nécessite également la direction dans laquelle les changements de position se produisent. Nous parlerons dans ce INSTRUCTABLE pour mesurer la vitesse, mais nous allons vraiment mesurer la vitesse moyenne.

Étape 2: mesurer la vitesse avec un panneau solaire ?

Les panneaux solaires sont des dispositifs qui fonctionnent selon le principe de l'effet photoélectrique et dont la fonction principale est de faire circuler un courant électrique dans les circuits dans lesquels ils sont utilisés. Par exemple, les panneaux solaires sont utilisés pour faire fonctionner certains types de montres, charger des batteries de toutes sortes, également dans les systèmes de génération de courant alternatif pour le réseau public et dans les maisons. Les applications sont nombreuses, son prix sur le marché est de plus en plus attractif et contribue au développement durable ce qui est formidable.

En raison du développement de cette technologie, nous la retrouvons dans de nombreux appareils, par exemple, celui que je vous montre a été extrait d'une lampe de poche bon marché que j'ai sauvegardée et a maintenant une nouvelle utilisation.

Le principe est basique. Lorsqu'une lumière est projetée sur un panneau, elle provoque une différence de potentiel électrique à ses bornes. Lorsqu'un voltmètre est connecté, cela est facilement vérifiable. Cette différence de potentiel est responsable de la circulation d'un courant électrique lorsqu'un appareil consommateur est connecté, par exemple une résistance électrique. En fonction de "l'impédance" du circuit et des caractéristiques du panneau, il circulera plus ou moins de courant. Par rapport à ce courant, une chute de tension se produira aux bornes du panneau solaire une fois le consommateur branché, mais si l'impédance reste constante, la tension est également maintenue constante tant que les caractéristiques de l'éclairage le sont également. Les voltmètres ont généralement une impédance élevée, ils affecteront donc très peu la tension mesurée avec eux. Mais que se passe-t-il si l'éclairage change ?, la tension aussi et c'est la variable que nous utiliserons.

En résumé:

• Un panneau solaire lorsqu'il est allumé montre une tension sur ses bornes qui peut être mesurée avec un voltmètre.

• La tension ne change pas si l'impédance du circuit et les caractéristiques de l'éclairage sont maintenues constantes (doit être dans le spectre sensible du panneau pour que l'effet photoélectrique se produise).

• Tout changement dans l'éclairement entraînera une variation de la tension, variable qui sera utilisée plus tard pour obtenir la vitesse des objets dans les expériences.

Sur la base des préceptes précédents, l'idée suivante pourrait être formulée:

L'ombre projetée d'un objet se déplaçant sur un panneau solaire provoquera une diminution de sa tension aux bornes. Le temps qu'il faut pour la diminution peut être utilisé pour calculer la vitesse moyenne avec laquelle cet objet se déplace.

Étape 3: Expérience initiale

Dans la vidéo précédente, les principes sur lesquels l'idée précédente est basée sont montrés expérimentalement.

L'image montre le temps qu'a duré la variation de tension qui a été tracé par un oscilloscope. En configurant correctement la fonction de déclenchement, vous pouvez obtenir le graphique auquel nous pouvons mesurer le temps écoulé lors de la variation. Dans la démonstration, la variation était d'environ 29,60 ms.

En fait, le brouillon du tableau dans l'expérience n'est pas un objet ponctuel, il a des dimensions. L'extrémité gauche de la gomme commence à projeter son ombre sur le panneau solaire et par conséquent commence à diminuer la tension jusqu'à une valeur minimale. Lorsque la gomme s'éloigne et que le panneau recommence à être découvert, une augmentation de la tension est observée. Le temps total mesuré correspond au temps mis par la projection de l'ombre pour parcourir tout le panneau. Si l'on mesure la longueur de l'objet (qui doit être égale à la projection de son ombre si l'on prend certaines précautions) on l'ajoute à la longueur de la zone active du panneau et on la divise entre le temps qu'a duré la variation de tension, alors nous obtiendrons la vitesse moyenne de cet objet. Lorsque la longueur de l'objet pour mesurer sa vitesse est quantitativement supérieure à la zone active du panneau, le panneau peut être considéré comme un objet ponctuel sans introduire une erreur notable dans les mesures (c'est à dire ne pas ajouter sa longueur à la longueur de l'objet).

Faisons quelques calculs (voir photo)

Étape 4: Pour appliquer cette méthode, certaines précautions doivent être prises en compte

• Le panneau solaire doit être éclairé par la source lumineuse prévue dans le plan expérimental, en évitant autant que possible d'autres sources lumineuses l'affectant.

• Les rayons lumineux doivent frapper perpendiculairement à la surface du panneau solaire.

• L'objet doit projeter une ombre bien définie.

• La surface du panneau et le plan contenant la direction du mouvement doivent être parallèles.

Étape 5: Un exercice typique

Déterminez la vitesse d'une balle tombant d'une hauteur de 1 m, considérez la vitesse initiale cero.

Si la balle tombe en chute libre c'est très simple: voir photo

Dans des conditions réelles, la valeur précédente peut être inférieure en raison de l'action de frottement avec l'air. Déterminons-le expérimentalement.

Étape 6: Conception, construction et exécution de l'expérience:

• Collez un tube en plastique sur la zone active du panneau solaire. • Soudez les nouveaux fils aux bornes du panneau solaire afin d'éviter les faux contacts.

• Créer un support pour l'ensemble panneau solaire-tube afin qu'il puisse être maintenu horizontalement.

• Placer une lampe torche ou autre source lumineuse sur un autre support de manière à ce que la projection de la lumière émise frappe le panneau solaire perpendiculairement.

• Vérifiez avec un multimètre que lorsqu'une lumière frappe le panneau solaire, une valeur de tension constante supérieure à zéro est enregistrée.

• Placer l'ensemble panneau solaire-tube sur le devant de la lanterne en laissant un espace plus grand que l'objet dont on veut mesurer la vitesse. Essayez de garder le plus loin possible la source lumineuse (lampe de poche) du panneau solaire. Si la lumière de la lanterne est créée par une seule led, tant mieux.

• Mesurez à partir du centre du panneau solaire et vers le haut une distance d'un mètre et marquez-le dans une tige, un mur ou similaire.

• Connecter la sonde de l'oscilloscope aux bornes du panneau solaire en respectant la polarité.

• Réglez correctement l'option TRIGGER sur l'oscilloscope, afin que toute variation de tension puisse être enregistrée lors du passage de l'ombre sur le panneau. Dans mon cas, les divisions temporelles étaient de 5 ms et les divisions de tension dans l'échelle étaient de 500 mv. La ligne de tensions nulles a dû être ajustée vers le bas pour que toutes les variations s'adaptent. Le seuil de déclenchement a été placé juste en dessous de la tension constante initiale.

• Mesurez la longueur de l'objet et celle de la zone active du panneau, additionnez-les et notez-la pour le calcul de la vitesse.

• Laissez tomber le corps d'une hauteur d'1m pour que son ombre interrompe le faisceau lumineux projeté par la lanterne.

• Mesurer le temps de la variation de tension avec les curseurs de l'oscilloscope sur l'échelle de temps.

• Divisez la somme des longueurs précédemment faites entre le temps mesuré dans l'oscilloscope.

• Comparer la valeur avec les calculs théoriques et arriver à des conclusions (prendre en compte les facteurs possibles qui introduisent des erreurs dans la mesure).

Résultats obtenus: voir photo

Étape 7: Quelques notes de l'expérience:

• Les résultats obtenus semblent corrects en correspondance avec la théorie.

• L'objet choisi pour cette expérience n'est pas idéal, j'envisage de le répéter avec d'autres qui peuvent projeter une ombre mieux définie et qui sont symétriques pour éviter d'éventuelles rotations lors de la chute.

• Il aurait été idéal de positionner le panneau-tube et la lanterne sur des tables séparées, en laissant un espace libre vers le bas.

• L'expérience doit être répétée plusieurs fois, en essayant de contrôler les causes possibles d'erreurs dans les mesures et des méthodes statistiques doivent être utilisées pour obtenir des résultats plus fiables.

Suggestions de matériaux et d'instruments pour ce projet: Bien que je pense que n'importe quel oscilloscope numérique, source de lumière et panneau solaire pourraient fonctionner, voici ceux que j'utilise.

SURVEILLER L'OSCILLOSCOPE

PANNEAU SOLAIRE

TORCHE

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