DIY LED-quang kế với Arduino cho các bài học Vật lý hoặc Hóa học: 5 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:33

Xin chào!

Chất lỏng hoặc các vật thể khác có màu vì chúng phản xạ hoặc truyền một số màu nhất định và đến lượt nó nuốt (hấp thụ) những vật khác. Với cái gọi là quang kế, những màu sắc (bước sóng) đó có thể được xác định, những màu này bị chất lỏng hấp thụ. Nguyên tắc cơ bản rất đơn giản: với một đèn LED có màu nhất định, trước tiên bạn chiếu qua một cuvet chứa đầy nước hoặc một dung môi khác. Điốt quang đo cường độ ánh sáng tới và chuyển nó thành hiệu điện thế tỷ lệ U0. Giá trị này được ghi nhận. Sau đó, một cuvet chứa chất lỏng cần kiểm tra được đặt vào đường đi của chùm tia và đo lại cường độ ánh sáng hoặc hiệu điện thế U. Hệ số truyền dẫn theo phần trăm sau đó được tính đơn giản bằng T = U / U0 * 100. Để có được hệ số hấp thụ A bạn chỉ cần tính A = 100 trừ T.

Phép đo này được lặp lại với các đèn LED có màu khác nhau và xác định trong mỗi trường hợp T hoặc A như một hàm của bước sóng (màu). Nếu bạn làm điều này với đủ đèn LED, bạn sẽ có được một đường cong hấp thụ.

Bước 1: Các bộ phận

Đối với máy đo quang, bạn cần các bộ phận sau:

* Vỏ màu đen với kích thước 160 x 100 x 70 mm hoặc tương tự: vỏ

* Một Arduino Nano: ebay arduino nano

* Bộ khuếch đại hoạt động LF356: ebay LF356

* 3 tụ điện có công suất 10μF: tụ ebay

* 2 tụ điện có C = 100nF và một tụ điện có 1nF: tụ ebay

* Biến tần một điện áp ICL7660: ebay ICL7660

* Một điốt quang BPW34: Điốt quang ebay BPW34

* 6 điện trở với 100, 1k, 10k, 100k, 1M và 10M ohms: điện trở ebay

* màn hình I²C 16x2: màn hình ebay 16x2

* một công tắc xoay 2x6: công tắc xoay

* giá đỡ pin 9V và pin 9V: giá đỡ pin

* a switch: chuyển đổi

* Cuvet thủy tinh: cuvette ebay

* Đèn LED với các màu khác nhau: f.e. đèn LED ebay

* nguồn điện 0-15V đơn giản để cấp nguồn cho đèn LED

* gỗ cho giá đỡ cuvet

Bước 2: Mạch và mã Arduino

Mạch cho quang kế rất đơn giản. Nó bao gồm một diode quang, một bộ khuếch đại hoạt động, một biến tần điện áp và một số bộ phận khác (điện trở, công tắc, tụ điện). Nguyên tắc của loại mạch này là chuyển đổi dòng điện (thấp) từ photodiode thành điện áp cao hơn, có thể đọc được bởi arduino nano. Hệ số nhân được xác định bởi giá trị của điện trở trong phản hồi của OPA. Để linh hoạt hơn, tôi đã lấy 6 điện trở khác nhau, có thể được chọn bằng công tắc xoay. "Độ phóng đại" thấp nhất là 100, cao nhất là 10 000 000. Mọi thứ được cung cấp bởi một pin 9V duy nhất.

Bước 3: Thí nghiệm đầu tiên: Đường cong hấp thụ của chất diệp lục

Đối với quy trình đo: Một cuvet được đổ đầy nước hoặc dung môi trong suốt khác. Điều này sau đó được đặt trong quang kế. Cuvette đang được đậy bằng nắp đậy nhẹ. Bây giờ đặt nguồn điện cho đèn LED để dòng điện khoảng 10-20mA chạy qua đèn LED. Sau đó, sử dụng công tắc xoay để chọn vị trí tại đó điện áp đầu ra của diode quang vào khoảng 3-4V. Việc điều chỉnh tốt điện áp đầu ra vẫn có thể được thực hiện với nguồn điện có thể điều chỉnh được. Điện áp này U0 được ghi nhận. Sau đó lấy cuvet chứa chất lỏng cần kiểm tra và đặt vào máy đo quang. Tại thời điểm này, điện áp của nguồn điện và vị trí của công tắc quay phải không thay đổi! Sau đó đậy nắp cuvet lại và đo hiệu điện thế U. Đối với độ truyền T tính theo phần trăm giá trị là T = U / U0 * 100. Để có hệ số hấp thụ A bạn chỉ cần tính A = 100 - T.

Tôi đã mua các đèn LED có màu sắc khác nhau từ Roithner Lasertechnik đặt tại Úc, quê hương của tôi. Đối với những điều này, bước sóng tương ứng được tính bằng nanomet. Để thực sự chắc chắn người ta có thể kiểm tra bước sóng ưu thế bằng máy quang phổ và phần mềm Theremino (quang phổ kế theremino). Trong trường hợp của tôi, dữ liệu trong nm phù hợp với các phép đo khá tốt. Khi chọn đèn LED, bạn nên đạt được phạm vi phủ sóng đồng đều của dải bước sóng từ 395nm đến 850nm.

Đối với thí nghiệm đầu tiên với quang kế, tôi đã chọn chất diệp lục. Nhưng đối với điều này, bạn sẽ phải nhổ cỏ từ đồng cỏ với hy vọng rằng không có ai đang theo dõi bạn…

Cỏ này sau đó được cắt thành từng miếng nhỏ và cho cùng với propanol hoặc ethanol trong một cái nồi. Bây giờ bạn nghiền lá bằng cối hoặc nĩa. Sau một vài phút, chất diệp lục đã hòa tan tốt trong propanol. Giải pháp này vẫn còn quá mạnh. Nó cần được pha loãng với đủ propanol. Và để tránh bất kỳ sự lơ lửng nào, dung dịch phải được lọc. Tôi đã lấy một bộ lọc cà phê thông thường.

Kết quả sẽ giống như trong hình. Một dung dịch màu xanh lục-hơi vàng rất mờ. Sau đó, bạn lặp lại phép đo (U0, U) với mỗi đèn LED. Như có thể thấy từ đường cong hấp thụ thu được, lý thuyết và phép đo tương đồng với nhau khá tốt. Chất diệp lục a + b hấp thụ rất mạnh trong dải quang phổ màu xanh lam và đỏ, trong khi ánh sáng xanh lục-vàng và tia hồng ngoại có thể xuyên qua dung dịch mà hầu như không bị cản trở. Trong phạm vi hồng ngoại, độ hấp thụ thậm chí gần bằng không.

Bước 4: Thí nghiệm thứ hai: Sự phụ thuộc của Sự tuyệt chủng vào nồng độ Kali Permanganat

Là một thí nghiệm tiếp theo, việc xác định độ tắt phụ thuộc vào nồng độ của chất hòa tan. Là một chất tan, tôi sử dụng thuốc tím. Cường độ ánh sáng sau khi xuyên qua dung dịch tuân theo định luật Lambert-Beer: Nó đọc I = I0 * 10 ^ (- E). I0 là cường độ không có chất tan, I là cường độ có chất tan và E được gọi là cường độ tắt. Sự tắt E này phụ thuộc (tuyến tính) vào độ dày x của cuvet và nồng độ c của chất tan. Như vậy, E = k * c * x với k là hệ số hấp thụ mol. Để xác định độ tắt E, bạn chỉ cần I và I0, bởi vì E = lg (I0 / I). Khi cường độ giảm xuống, ví dụ, 10%, sự tắt E = 1 (10 ^ -1). Với sự suy yếu chỉ còn 1%, E = 2 (10 ^ -2).

Nếu áp dụng E như một hàm của nồng độ c, chúng ta sẽ thu được một đường thẳng đi lên qua điểm 0.

Như bạn có thể thấy từ đường cong tuyệt chủng của tôi, nó không phải là tuyến tính. Ở nồng độ cao hơn, nó sẽ bong ra, đặc biệt là từ nồng độ lớn hơn 0,25. Điều này có nghĩa là sự tuyệt chủng thấp hơn dự kiến theo định luật Lambert-Beer. Tuy nhiên, chỉ xem xét các nồng độ thấp hơn, ví dụ từ 0 đến 0,25, dẫn đến mối quan hệ tuyến tính rất tốt giữa nồng độ c và mức tắt E. Trong phạm vi này, nồng độ chưa biết c có thể được xác định từ mức tắt đo được E. Trong trường hợp của tôi, nồng độ chỉ có các đơn vị tùy ý, vì tôi chưa xác định được lượng kali pemanganat hòa tan ban đầu (nó chỉ là miligam, không thể đo được bằng quy mô nhà bếp trong trường hợp của tôi, được hòa tan trong 4 ml nước để bắt đầu. dung dịch).

Bước 5: Kết luận

Máy đo quang này đặc biệt thích hợp cho các giờ học vật lý và hóa học, tổng chi phí chỉ khoảng 60 Euro = 70 USD. Các đèn LED có màu sắc khác nhau là phần đắt tiền nhất. Trên ebay hoặc aliexpress chắc chắn bạn sẽ tìm thấy đèn LED rẻ hơn nhưng thông thường bạn không biết đèn LED có bước sóng nào. Nhìn theo cách này, bạn nên mua hàng từ một nhà bán lẻ chuyên nghiệp.

Trong bài học này, bạn sẽ học được điều gì đó về mối quan hệ giữa màu sắc của chất lỏng và hành vi hấp thụ của chúng, về chất diệp lục quan trọng, định luật Lambert-Beer, hàm số mũ, sự truyền và hấp thụ, cách tính phần trăm và bước sóng của các màu nhìn thấy được. Tôi nghĩ điều này khá nhiều…

Vì vậy, hãy vui vẻ khi thực hiện dự án này trong bài học của bạn và Eureka!

Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, tôi sẽ rất vui nếu bạn có thể bình chọn cho tôi trong cuộc thi khoa học-lớp học. Cảm ơn vì điều đó…

Và nếu bạn quan tâm đến các thí nghiệm vật lý khác, đây là kênh youtube của tôi:

www.youtube.com/user/stopperl16/videos?

các dự án vật lý khác: