من زاوية المرشح إلى شدة الضوء: مشاريع تخرج فيزياء باستخدام Arduino

مرر ضوء LED عبر مرشح استقطاب ثابت، ثم أدر مرشحا ثانيا أمام فوتوديود. تتغير القراءة مع زاوية المرشح؛ وبذلك يحصل الطالب على تجربة عملية لقياس الاستقطاب بدلا من مشاهدة رسم جاهز. هذه فكرة ضمن مشاريع تخرج الفيزياء والإلكترونيات، وسؤالها ليس إثبات أن المستشعر يعطي قيما مطلقة دقيقة، بل قياس منحنى الشدة مقابل الزاوية والتحقق من أثر الضوء المحيط والمحاذاة.

رتب عناصر المنضدة على خط واحد

استخدم LED منخفض الجهد ومقاومة مناسبة ومرشحا ثابتا ومحللا دوارا عليه تدريج زاوي، ثم فوتوديود داخل صندوق صغير. ثبت العناصر على سكة بعلامات حتى يمكن إعادتها إلى مواضعها. لا توجه مصدرا قويا إلى العين ولا تستخدم ليزرا مكشوفا؛ LED محجوب يكفي للتجربة. ضع حاجزا حول الكاشف لتقليل الضوء الجانبي من النوافذ والمصابيح.

يفيد دليل Vishay للفوتوديود BPW34 في مراجعة نطاق الحساسية المرئية وتوصيلات القطعة، لكنه لا يحدد دقة منضدتك أو كيف تحول تيار الفوتوديود إلى قراءة. تحتاج واجهة تحويل تيار إلى جهد أو مقياسا ضوئيا مناسبا، ثم تضبط مدخل المتحكم ضمن حدوده. لا توصل الفوتوديود إلى مدخل Arduino التناظري بلا دائرة انحياز أو تضخيم مراجعة.

امسح الزاوية بخطوة ثابتة

حاذ المرشحين عند قراءة عالية ثم عرفها بزاوية صفر عملية لا باتجاه مطلق. خذ قراءة الظلام مع إطفاء LED، ثم المرجع والمرشحان مصطفان. أدر المحلل بخطوات ثابتة وسجل عدة عينات عند كل نقطة، ثم ارجع إلى الصفر لتعرف هل تغير الضوء أو الكاشف. النسخة اليدوية ذات القرص المقسم أقل تعقيدا من محرك؛ لا تضف حركة آلية إلا إذا احتجت تسجيل زوايا تلقائيا.

يتوقع النموذج التعليمي اعتماد الشدة على مربع جيب تمام الزاوية بين محوري المرشحين. احتفظ بالزاوية والقراءة الخام والقراءة بعد طرح الظلام، وارسم الشكل النظري بجانب البيانات. لا تضبط المنحنى لتبدو النقاط مثالية؛ اذكر انحراف محور المرشح أو نفاذيته أو تشتت البلاستيك. يتغير المنحنى أيضا إذا كان المصدر غير مستقطب أو وضع المرشح بزاوية مائلة.

عاير الكاشف ولا تدع فوتومترا معياريا

توضح دراسة NIST عن معايرة الاستجابة الطيفية لأجهزة القياس اللوني أن حساسية الكاشف الطيفية ومعايرة القناة تؤثران على القياس. إذا لم يكن لديك مرجع شدة ضوئية معاير، اعرض وحدات ADC أو قيمة نسبية بعد طرح الظلام، ولا تحولها إلى لوكس. قارن بمرجع تجاري فقط إذا سجلت دقته ونطاقه وشروطه.

افحص الظلام والضوء المباشر وزوايا 0 و90 و180 درجة، ثم كرر الاختبار بعد إزاحة الكاشف أو المرشح قليلا. تحقق من أن المدخل لا يصل إلى التشبع وأن LED استقر. سجل القراءة المشبعة بعلامة واضحة ولا تمحها. يمكن إضافة محرك لقرص المرشح لاحقا، لكن احم الحركة واترك مفتاح إيقاف متاحا.

حدد النجاح من جودة القياس

اكتب بروتوكولا يطلب المسح بخطوات زاوية ثابتة في ثلاث دورات، وسجل الخلفية قبل كل دورة. معيار القبول أن تتكرر زاوية القمة والقاع ضمن دقة التدريج وأن يبقى ترتيب البيانات صحيحا عند إعادة التشغيل. قارن النظرية بخط ملاءمة وأظهر البواقي؛ لا تكتف بقيمة تشابه عالية. إن لم تتكرر القمة، افحص تثبيت المرشح قبل لوم الحساب.

خط الأساس هو شدة LED دون محلل ثم القياس بمرشحين. يمكن اختبار مرشح ثالث لاحقا، لكن سجل كل تغيير على حدة. افحص استجابة الفوتوديود لمصباح الغرفة عند تشغيل LED المشروع وإطفائه. اشرح أن المرشحات الرخيصة قد لا يكون محورها دقيقا أو نفاذها منتظما، وأن القياس على لون واحد لا يصف الاستقطاب عبر الطيف كله.

اجعل التقرير قابلا لإعادة البناء

احفظ قائمة القطع ومخطط دائرة الكاشف وصور المنضدة وعلامات الزوايا وCSV وكود المتحكم. يستطيع الفريق ترتيب الفكرة ضمن صفحة مشاريع التخرج على مراحل تركيب ومعايرة وتجربة وتحليل، لكن جودة الاستنتاج تعتمد على التكرار وحدود أدوات القياس. لا تكتب أن الجهاز يثبت قانون مالوس بصرف النظر عن البيانات؛ صف المجال الذي فحصته ومدى توافقه مع النموذج.

إذا أضفت واجهة أو تخزينا، فاحفظ الوحدة والوقت وإعداد المصدر بكل سجل. اترك البيانات الخام متاحة، واعرض رسالة عند فقد الحساس أو غياب القراءة. لا تتطلب المنضدة اتصالا بالإنترنت أو تجمع معلومات مستخدمين. النتيجة التعليمية النافعة منحنى يمكن تفسيره مع توضيح أين تبدأ استجابة الكاشف والمرشح والضوء المحيط بالانحراف عن النموذج المبسط.

حدد الصفر الميكانيكي قبل حساب الزاوية

التدريج المطبوع على القرص قد لا يطابق محور الاستقطاب الحقيقي للمرشح. خذ مسحا أوليا وسجل موضع أكبر قراءة، ثم استخدمه مرجعا تشغيليا مع توضيح أن هناك إزاحة صفر. لا تدوّر البيانات لتجعل القمة عند الصفر من دون تسجيل الفرق؛ احتفظ بالزاوية الأصلية وإزاحة المحاذاة منفصلتين. أعد تركيب المرشح واختبر عودة القمة. إذا تغيرت القراءة فقد يكون الحامل غير مركزي أو القرص مائلا؛ عالج المشكلة الميكانيكية قبل تفسيرها كفشل في النموذج الضوئي.