Разработка и создание новых лабораторных приборов по физике с использованием солнечного элемента является одним из новых направлений в современной педагогике, поскольку их функциональные возможности ещё достаточно не использованы. Такие приборы представляют большой интерес по следующим соображениям:
- Лабораторные приборы с использованием солнечных элементов не требуют электрического питания, это особенно важно в тех местах, где регулярно отсутствует электричество.
- Из-за отсутствия внешних источников электричества, такие приборы абсолютно безопасны при их эксплуатации.
- Они удобны и компактны, имеют хороший внешний вид, очень надежны и рассчитаны на достаточно большой срок эксплуатации, транспортабельны и их можно использовать не только в лабораторных кабинетах, но и в открытых местах, на свежем воздухе.
- Функциональные возможности таких приборов слишком широки, т.е в одном и том же приборы можно выполнять несколько работ различного вида не повторяющих друг друга.
- Такие приборы развивают творческое мышление учеников, и вызывает их интерес к физике и технике. Так-так каждый ученик на основе такого прибора, сам может придумать различные задачи.
- Такие приборы наглядно и четко демонстрируют, что Солнце — это бесконечной источник энергии. Важно, чтобы ученики и студенты обладали знаниями об альтернативных источниках энергии, их применения для решения глобальных вопросов экологии, которые беспокоят человечество сегодня.
В данной работе представлен один из таких приборов изготовленный нами с использованием солнечного элемента. рис 1.
Прибор состоит из четырёх солнечных элементов, каждый из которых представляет собой отдельный источник питания, присоединенный к прибору, а также два мультиметрадля измерения тока коротких замыканий и получаемого электрического напряжения в цепи фотоэлемента.
К функциональным возможностям прибора можно отнести следующее:
- Провести лабораторные работы по изучению соединения источников питания параллельно, последовательно и смешанно, используя любые комбинации из 4-солнечных элементов. Можно одновременно наглядно и точно написать результаты работы по току и напряжению.
- Отдельно каждый фотоэлемент как источник питания, параметры которого зависят от интенсивности света, т.е. установить зависимость получаемого значения тока и напряжения от интенсивности света.
- Определить изменение солнечного излучения в течении дня т.е. измерить ток и напряжение отдельного элемента в зависимости от времени.
- Изучение законов фотоэффекта и получение достаточно наглядной информации о природе света.
- Изучение влияния различных спектров света на параметры солнечного элемента с помощью различных светофильтров.
- Изучение закона Ома, это осуществляется присоединением различных сопротивлений как параллельного, так и постоянного к источникам питания.
- Изучение превращения энергии из одного типа в другой, который осуществляется присоединением к солнечным элементам — светодиодов, радиоприемников или маленьких механических материалов.
- Изучение Вольтамперной характеристики диода, так как каждый солнечный элемент в отсутствии освещения работает как диод.
- Определить коэффициент полезного действия солнечных элементов, зная площадь и мощность солнечного излучения падающего на поверхность солнечного элемента (например в 1300 мощность солнечного излучения W=840 Вт/м2) можно определить получаемый ток и напряжение солнечного элемента.
- Зная коэффициент полезного действия, ученик или студент может провести теоретический расчет о необходимом числе солнечных элементов и занимаемой ими площади для обеспечения энергией – любых домашних электрических приборов, с различной мощностью, даже для целого дома, района и города
Мы здесь привели только некоторые функциональные возможности таких приборов, которые практически не имеются существующие лабораторные приборы по физике в академических лицеях, колледжах и школах, но ученики и студенты могут сами придумать другие задачи.
Таким образом, разработка, создание и использование приборов с солнечными элементами является самым современным, ещё не изученным новым педагогическим и технологическим подходом, к более глубокому пониманию и освоению физических законов и эффектов в академических лицеях, колледжах и школах и высших учебных заведениях.