چگونه میتوان مسیر حرکت توپ را تصویرکرد؟
استفاده از نور لیزر به عنوان استروبوسکوپ با استفاده از اسیلاتور
مقدمه:
منظور از مدولاسیون نور این است که مثلا با قطع و وصل کردن نور بتوان اطلاعاتی را روی آن سوار کرد.مدولاسیون نور لیزر از موضوعات مهم دربرخی زمینه های کاربرد لیزرمانند مخابرات نوری است زیرا اطلاعاتیکه قراراست در فیبرنوری انتقال یابد، ابتدا مادوله شده یا به عبارتی اطلاعات روی آن سوار می شود. نحوهسوارکردن اطلاعات متنوع است ولی دراینجا روش کنترل تغذیه لیزربرای ایجاد تغییر در شدت نور خروجی لیزرتجربه میشود. با یک مدارساده اسیلاتور درمسیر تغذیه لیزر، میتوان لیزر را با بسامد دلخواه روشن و خاموشنمود که ساده ترین نمایش مادوله سازی نور لیزر است. اسیلاتور یک مدار الکترونیکی است که جریان مستقیم (DC) را از منبع تغذیه به سیگنالی با جریات متناوب تبدیل میکند که تکرار شونده و نوسانی با فرکانس یا بسامد قابل انتخاب است. نصب اسیلاتور، لیزر را به یک لامپ استروبوسکوپ تبدیل میکند که با استفاده از یک نور چشمک زن، اشیاء مرتعش یا در حال دوران را ثابت و ساکن به نظر می آورد. برای مثال؛ اگر نوری که 10 بار در ثانیه چشمک می زند، بر روی پنکه ای که سرعت دوران آن ده دور در ثانیه است تابانده شود، پنکه به نظر ثابت و بی حرکت می آید. هر بار که نور پنکه را روشن می کند، پنکه در همان نقطه از دوران یا گردش خود قرار دارد. بررسی یک شئ مرتعش یا در حال دوران با این روش، نظیردوران پروانه یا قطعه ای از موتور، یا سقوط و یا حرکت یک جسم، می تواند حرکاتی را که در حالت عادی اصلا به چشم نمی آیند، آشکار سازد. علاوه بر این، درصورتیکه فرکانس یا بسامد نور چشمک زن دقیقا معلوم باشد، می توان از آن برای اندازه گیری یا تنظیم تندی دوران و ارتعاش استفاده کرد. در موتور اتومبیل، زمان بندی احتراق را با استفاده از چراغ زنون چشمک زن تنظیم می کنند. همچنین می توان از این لامپ برای مطالعه حرکت اجسام مثل سقوط آزاد بهره برد.
هدف:
در این آزمایش قصد داریم به مطالعه و بررسی دستگاه استروبوسکوپ لیزری بپردازیم. این وسیله با استفاده از يک لیزر چشمک زن، اشياء مرتعش يا در حال دوران را ثابت و ساکن به نظر مي آورد و جسم متحرک را در مقاطع خاص با فاصله زمانی یکسان قابل دیدن می کند. اين اصل علمي براي مطالعه ي حرکت دوار، رفت و برگشتي ، نوساني يا مرتعش اشیاء استفاده مي شود. اجزاي ماشين و تارهاي مرتعش از نمونه هاي متداول هستند.
چه می خواهیم انجام دهیم و به چی نیاز داریم:
می خواهیم با استفاده از یک مدار الکترونیکی، نور لیزر را با فرکانس یا بسامد مشخص و قابل تنظیم قطع و وصل یا به عبارتی مادوله کنیم و از این ابزار برای مطالعه جسم متحرک استفاده نماییم. برای این منظور به اقلام زیر نیاز داریم:
–لیزر با پایه مناسب
-فن با موتور مربوطه
آزمایش:
-ابتدا به منظور گسترده کردن نور لیزر عدسی جلوی لیزر را بردارید و اگر عدسی قابل برداشتن نیست می توانید با یک عدسی نور لیزر را واگرا و گسترده کنید.
البته می توانید هر دو حالت برداشتن عدسی و اضافه کردن عدسی دیگر را امتحان کرده و تفاوت را مشاهده و توجیه کنید.
-یک مدار اسیلاتور را به برق وصل کرده و جریان خروجی از آن را به لیزر متصل کنید.
برای اتصال و قطع ولتاژ ورودی به لیزرمیتوان مدارهای مختلفی طراحی کرد ولی در همه موارد، اساس کار مداری است که می توان به کمک آن و با تنظیم یک ولوم، ولتاژ رسیده به لیزر را با فرکانس دلخواه قطع و وصل کرد که در آن صورت نور لیزر نیز با فرکانس انتخابی، قطع و وصل می گردد.
-فن را به موتور مربوطه متصل کرده و آن را در مسیر باریکه لیزر قرار دهید.
-با کمک فرکانس اسیلاتور، بسامد نور لیزر را تنظیم کنید.
اگر این فرکانس کم باشد (در حدود 1Hz، یعنی یک قطع و وصل در ثانیه) قطع و وصل نور لیزر با چشم قابل تشخیص خواهد بود. اما در صورتی که فرکانس بالا باشد قطع و وصل شدن نور لیزر با چشم قابل تشخیص نیست. در این حالت نور لیزر را علی رغم آن که در حال قطع و وصل شدن می باشد به صورت پیوسته مشاهده خواهید کرد.
-فن را به موتور مربوطه (که دور آن هم قابل تغییر است) متصل کرده و آن را در مسیر باریکه لیزر قرار دهید.
-موتور فن را روشن کرده و چرخش پروانه را با نور استروبوسکوپ مشاهده کنید.
-می توانید با تنظیم صحیح فرکانس لیزر، پروانه را متوقف ببینید. با چرخاندن بیشتر ولوم استروبوسکپ توقف های دیگری را نیز ملاحظه خواهید کرد که در هر کدام از آن ها پروانه های متعددی موجوداند. این تعداد به نسبت میان دور موتور و فرکانس نور لیزر بستگی دارد.
به چه کار می آید:
استروبوسکوپ کاربردهای فراوانی دارد، برای مثال می توان از آن برای دورسنجی موتور و بررسی میزان نظم حرکت موتور استفاده کرد. لامپ های استروبوسکوپ معمولاً از جنس لامپ های زنون می باشد و در تعمیرگاه های ماشین به طور متداول استفاده می گردند. علاوه بر آن چنین لامپ هائی برای مطالعه ی حرکات و قوانین حرکت به وفور مورداستفاده قرار می گیرند.
از استروبوسکوپ براي تنظيم زمان بندي احتراق موتورهاي داخلي، مشاهده‌ي عملکرد تارهاي صوتي بیمار،مطالعه ي فشار‌هاي رويماشين در حال حرکت، اندازه‌گيري سرعت چرخ ها و ماشين‌هاي در حال حرکت و … نیز استفاده میشود.
سؤال، پیشنهاد ونکته:
– در یک اتاق کاملاً تاریک نور لیزر را روشن کرده، فرکانس را تنظیم نموده و حرکت سقوط آزاد یک گلوله را مشاهده کنید. البته برای انجام این مشاهده باید حتماً از صحنه عکس برداری شود و برای عکس برداری بهتر است تدابیری از قبیل همزمان کردن روشن بودن لیزر و سقوط گلوله و عکس برداری اندیشیده گردند. همچنین می توانید دهانه ی دوربین را باز نگه داشته و فقط سقوط گلوله و روشن شدن لیزر را همزمان کنید. اگر در حالیکه گلوله ای را به بالا پرتاب کرده و لامپ استروبوسکوپ صحنه ی حرکت گلوله را روشن کرده، از این صحنه عکس بگیرید میتوانید مسیری را که برای حرکت گلوله میبینید، ترسیم کنید. هم چنین با تنظیم فرکانس، می توانید تعداد نقاط روشن این مسیر حرکت را تغییر دهید.
-درباره تفاوتی که هنگام اضافه کردن یا برداشتن عدسی برای واگرا کردن و گسترده کردن نور لیزر می بینید فکر کنید.
-یک مداد را مقابل لیزر مادوله شده تکان دهید. چندین مداد در فاصله های خاصی دیده می شود که با تغییر فرکانس لیزر این تعداد تغییر می کند. این پدیده با تکان دادن مداد در مقابل تلویزیونهای قدیمی نیز دیده می شد. علت را بررسی کنید.
آزمایشهای مرتبط:
بیشتر بدانید: