IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
СТРОБОСКОП
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Современный школьник, услышав о стробоскопе, вспоминает прежде всего оглушительно ревущую дискотеку, освещенную прерывистым светом импульсных ламп. Это не удивительно: все придуманное физиками рано или поздно, но обязательно находит свое применение в развлечениях. Однако это отнюдь не означает, что развлекающиеся понимают, чем они пользуются. Чтобы усвоить суть стробоскопического метода исследования физических явлений, нужно изготовить стробоскоп и поработать с этим прибором. [1]
Цель работы: изготовить своими руками стробоскоп на транзисторах и использовать его при изучении тем по кинематике.
Задачи: 1. Собрать материал о различных видах стробоскопов;
2. Сделать подробный анализ полученной информации;
3. Изготовить стробоскоп на транзисторах.
Гипотеза: выяснить, можно ли в условиях обычной общеобразовательной школы, изготовить стробоскоп на транзисторах и использовать его на уроках физики при изучении кинематики.
Объект исследования: литература и другие источники о стробоскопах.
Предмет исследования: стробоскоп на транзисторах.
Методы: изучение литературы; использование Интернет-ресурсов; изготовление стробоскопа на транзисторах.
Практическая значимость данной работы заключается в том, чтобы собранный материал использовать в учебных целях на уроках физики и во внеклассных занятиях по этому предмету.
В представленной работе использовались материалы научных статей, периодической печати, ресурсы сети Интернет.
Глава 1. Что такое стробоскоп?
Рис. 1
Во времена, когда ни кино, ни телевидения еще не было и в помине, для наблюдения движущихся изображений использовали прибор, названный стробоскопом (от греч. strobos — кружение, беспорядочное движение и sкорео — смотрю). Стробоскопом также назывался прибор для демонстрации движущихся рисунков, изобретённый в 1832 году учёным Жозефом Плато. [3]
Также стробоскоп – прибор для наблюдения быстрых периодических движений, действие которого основано на стробоскопическом эффекте.
Одна из возможных конструкций игрушечного стробоскопа описана в книге Б. Доната (рис. 1).
Возле края картонного диска на равных расстояниях друг от друга сделаны одинаковые прорези размером со зрачок глаза. Рядом с ними расположены рисунки последовательных стадий повторяющегося процесса, например, колебаний маятника, скачущей лошади или танцующей пары. [1] На рис. 2 в качестве примера представлены изображения двух стробоскопических дисков, найденные нами в Интернете.
Диск насаживают на ось, перед ним располагают зеркало и, приведя диск во вращение, смотрят через отверстия на изображение рисунков в зеркале. При этом видят, что маятник начал колебаться, лошадь поскакала, а партнеры закружились в танце. Это стробоскоп первого типа – используя инерционность зрительного ощущения, он превращает неподвижные изображения отдельных фаз движения в ощущение непрерывного движения. На таком принципе основаны кино и телевидение. В них сменяющие с частотой 25 Гц кадры с фиксированными изображениями создают иллюзию движущегося предмета.
Стробоскоп второго типа решает обратную задачу – превращает повторяющееся движение в неподвижный образ. Чтобы представить, как это происходит, можно сквозь отверстия стробоскопа, изображенного на рис. 1, посмотреть, например, на спицы вращающегося колеса. Скорость стробоскопа нетрудно подобрать так, что колесо будет казаться неподвижным.
INCLUDEPICTURE "../../abash/Desktop/проект/media/image1.jpeg" * MERGEFORMAT INCLUDEPICTURE "../../abash/Desktop/проект/media/image1.jpeg" * MERGEFORMAT INCLUDEPICTURE "../../abash/Desktop/проект/media/image1.jpeg" * MERGEFORMAT INCLUDEPICTURE "../Desktop/media/image1.jpeg" * MERGEFORMAT
Рис. 2.
Механический стробоскоп можно усовершенствовать, но лучше сразу обратиться к электронным стробоскопам. Проще всего изготовить стробоскоп, который вместо периодического прерывания светового пучка, идущего в глаз наблюдателя, обеспечивает прерывистое освещение движущегося предмета.
Понятно, что в таком приборе источник света должен быть малоинерционным. Для учебных стробоскопов вполне подойдут широко распространенные в наши дни яркие и сверхъяркие светодиоды. Тип светодиода значения не имеет, поэтому на схемах мы его не указываем. Чтобы повторить описанные в статье опыты, приобретите в радиомагазине самые дешевые, но достаточно яркие светодиоды, дающие белое или красное излучение. [1]
Глава 2. Стробоскопический эффектСтробоскопический эффект – зрительная иллюзия, возникающая, главным образом, в кинематографе и телевидении в случаях, когда частота киносъёмки и проекции близка к частоте отображаемого процесса. Стробоскопический эффект в кинематографе считается проявлением искажений первого рода. Аналогичное явление можно наблюдать при работе стробоскопа в тёмном помещении.
На стробоскопическом эффекте основана регулировка скорости вращения диска некоторых проигрывателей грампластинок: освещение производилось неоновой лампой, питаемой от сети 50 Гц, поэтому лампа мерцает с частотой 100 Гц. При точной настройке скорости вращения диска, изображение штрихов на поверхности диска, освещаемой стробоскопом, кажется неподвижным. Подстройка скорости вращения диска (частоты вращения электродвигателя) производится управлением электронной схемы привода диска.
Стробоскопический эффект применяется для визуального контроля угла опережения зажигания в двигателях внутреннего сгорания: импульсная газоразрядная лампа срабатывает от высоковольтного импульса в свече зажигания, что позволяет увидеть неподвижную метку на вращающемся маховике коленчатого вала двигателя.
Стробоскопические тахометры также используют стробоскопический эффект.
Стробоскопический эффект считается искажением второго рода при записи и воспроизведении теле- и видеоизображений и имеет ту же природу, что явление муара в телевидении или цифровой фотографии. Полностью избавиться от стробоскопического эффекта в кино и телевидении практически невозможно. Можно уменьшить его интенсивность увеличением частоты киносъёмки и проекции или увеличением смаза единичного изображения (кадрика) путём увеличения выдержки, зависящей от угла раскрытия обтюратора.
Стробоскопический эффект очень опасен на производстве в условиях машиностроительных цехов: при определённом стечении обстоятельств и освещении цеха газоразрядными лампами возможна иллюзия того, что стремительно вращающиеся части станка кажутся абсолютно неподвижными. В условиях цеха, когда из-за зашумлённости определить движение предметов можно только визуально, это может стать причиной гибели или увечья людей. Для предотвращения этого освещение таких цехов газоразрядными люминесцентными лампами должно производиться с питанием разных групп осветительных ламп от разных электрических фаз осветительной сети или лампами накаливания. [3]
Глава 3. Виды стробоскопов
Стробоскоп представляет собой специальную осветительную установку, которая способна создавать стробоскопический эффект для излучаемого светового потока.Этот эффект основан на восприятии мозгом человека так называемого «остаточного изображения». В результате для создания этого эффекта прибор производит с высокой скоростью яркие и повторяющиеся вспышки света.
На сегодняшний день имеется несколько разновидностей стробоскопов, которые по своим конструкционным особенностям подразделяются на такие виды:
электронно-оптические. С целью прерывания светового потока в такого родах приборах используют затворы света. Их работа основана на разнообразных оптико-электронных эффектах;
оптико-механические. Такие приборы еще называют тахометры. В роли светового прерывателя здесь применяются диски со щелями;
электронные. В своем составе имеют электронную схему. Она представляет собой импульсный генератор, осуществляющий регуляцию частоты импульсов, а также источника света. В роли источника света в электронных моделях зачастую применяются либо светодиодные лампочки, либо газоразрядные лампы;
осциллографические. Применяются для всевозможных обследований электронных цепей. [4]
Глава 4. Где используются стробоскопы
Применение стробоскопов (разных видов) на данный момент возможно в самых различных сферах человеческой деятельности. По сфере применения такие установки делятся на:
промышленные;
автомобильные;
для ночных клубов, подсветки дискотек и прочих развлекательных мероприятий;
в рекламной сфере (в частности для наружной рекламы);
фонарь-стробоскопы.
Помимо этого, очень часто подобные изделия используются в научной сфере для изучения процессов, имеющих периодический характер. Например, для снятия измерений касательно амплитудных движений различных предметов и объектов.
Еще одной сферой, в которой вы не ожидали встретить стробоскоп, окажется медицина. Здесь подобного рода приборы применяются в качестве строболарингофона для людей, имеющих различные нарушения речи. [4]
Глава5. Стробоскоп на транзисторах
Простой и надежный стробоскоп можно собрать по схеме несимметричного мультивибратора, изображенной на рис. За. Принцип действия схемы заключается в следующем.
При включении питания небольшой ток идет от положительного полюса источника через резисторы R2, R1, переход база-эмиттер транзистора VT1 к отрицательному полюсу. При этом транзистор VT1 типа п-р-п открыт, так как на его базе положительный потенциал относительно эмиттера. Сопротивление перехода эмиттер-коллектор открытого транзистора VT1 мало, поэтому на базе значительно более мощного транзистора VТ2 типа р-п-р отрицательный потенциал относительно эмиттера, и этот транзистор тоже открыт.
C
INCLUDEPICTURE "../../abash/Desktop/проект/media/image2.jpeg" * MERGEFORMAT INCLUDEPICTURE "../../abash/Desktop/проект/media/image2.jpeg" * MERGEFORMAT INCLUDEPICTURE "../Desktop/media/image2.jpeg" * MERGEFORMAT
От источника через переход эмиттер-коллектор открытого транзистора VТ2, резистор R4 и светодиод HL1 идет относительно большой ток, вызывающий свечение светодиода. Потенциал точки В больше, чем С, поэтому ток течет также через резистор RЗ, конденсатор С1 и переход база-эмиттер транзистора VТ 1. Конденсатор С1 быстро заряжается через резистор RЗ, имеющий небольшое сопротивление. При этом положительный потенциал базы относительно эмиттера транзистора VТ 1 уменьшается, и этот транзистор закрывается. Вслед за ним закрывается транзистор VТ2, ток через светодиод прекращается, и светодиод гаснет.
Заряженный конденсатор С1 медленно разряжается через резисторы R3, R4, светодиод HL1, источник питания, резисторы R2 и R1. Как только на базе транзистора VТ 1 появится положительный потенциал относительно эмиттера, этот транзистор откроется и дальше процесс повторится.
Осциллограммы напряжений между точками А, С и В, С схемы показаны на рис. 3 б. Промежутку времени (t1, t2) соответствует зарядка конденсатора С1 и вспышка света, промежутку (t2, t3) — разрядка конденсатора и соответственно пауза между следующими друг за другом вспышками. Понятно, что продолжительности этих промежутков определяются произведением емкости конденсатора на сопротивления резисторов, через которые он заряжается и разряжается.
Из изложенного ясно, что длительность импульсов напряжения, вызывающих вспышки света, зависит главным образом от емкости конденсатора С1 и сопротивления резистора R3. Частота следования этих импульсов определяется емкостью конденсатора С1 и сопротивлением цепи, состоящей из резисторов R1 и R2. Плавная регулировка частоты осуществляется переменным резистором R2. Для обозначенных на схеме параметров элементов генератора при напряжении питания 4,5 В частота регулируется в пределах от 30 до 100 Гц. [1]
Заключение
Изучив литературу и интернет - источники о стробоскопах, выполнили стробоскоп на транзисторах, предложенный в статье В. В. Майера, Е. И. Вараксиной «Электронные стробоскопы для учебных опытов». На следующем этапе сфотографировали стробоскоп в движении, получили различные траектории движения тела, по которым можно наглядно определять различные виды его движения. Затем попробовали по фотографиям изучить движение тела под углом к горизонту. Просчитать, с какой скоростью движется тело, угол под которым его бросили на поверхность, дальность полета тела в данной конкретной ситуации, высоту подъема и т.д. А так же движение тела по окружности, свободное падение тела, его движение по вертикали вверх. Проблема в том, что не всегда можно получить фотографию, которую можно использовать для исследования. В дальнейшем, можно попробовать с помощью специальных программ, сделать подвязку с компьютером, для более продуктивной работы.
Список использованных источников и литературы
Майер, В.В. Электронные стробоскопы для учебных опытов [Текст] / В.В. Майер, Е.И. Вараксина // Потенциал. 2010 № 11 С. 68–76.
Майер, В.В. Стробоскопический метод в кинематике [Текст] / В.В. Майер, Е.И. Вараксина // Потенциал. 2010 № 12. С. 65–71.
Стробоскоп [Электронный ресурс] / Материал из Википедии – свободная энциклопедия. – Режим доступа /https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B1%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BF (25.09.2017).
Все, что полезно знать о стробоскопах [Электронный ресурс] / 1Posvetu – Все о освещении. – Режим доступа. https://1posvetu.ru/ustrojstva/stroboskopy.html (25.09.2017).
Приложение