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SPARK科学学习系统探讨

作者:admin 来源:未知 日期:2020-09-14 08:55人气:
摘要:SPARK科学学习系统为移动便携式数据采集和分析的实验系统,适合课内及课外不同环境下学生开展实验探究与科学研究,并可通过网络实时共享实验数据,开展科学合作与在线指导,有效激发学生的科研兴趣,培养创新能力。利用该系统进行硅光电池特性研究,测定硅光电池在全暗和光照下的伏安特性、开路电压及短路电流与光照强度的关系,结果表明,在物理实验中应用该系统,具有测量便捷,数据处理手段丰富,结果清晰的优势。
 
关键词:SPARKLXiDatalogger;实时测量;硅光电池
 
实验过程可视化有助于学生分析实验过程,建立物理概念,理解物理规律,包括实验过程空间可视性和实验过程时间可视性。在电学实验中,电压与电流可以通过电压表和电流表来测量,学生在学习过程中对于实验规律随时间连续变化缺乏实时图形化描述。近年来,计算机数据实时采集与测量技术快速发展,与高灵敏度的传感器件相结合,可在测量的同时实现实验过程与数据可视化,有助于帮助学习者探索实验现象,提高创新能力。SPARK科学学习系统是由美国PASCO公司开发的便携式数字化实验系统。在物理实验方面,SPARK科学学习系统涵盖了力学、光学和电学等多个方面,可以利用移动便携的数据采集器与多种传感器相结合,实现高效、准确的数据采集[1]。新一代的数据采集器(SPARKLXiDatalogger)搭载安卓移动操作系统,通过SPARKvue和实验室管理应用程序与PASCO无线传感器或PASPORT传感器连接,在局域网络中可快速构建易于实验探究、易于合作与管理的学习环境(图1)。通过SPARK科学学习系统,学生可以在进行实验的过程中,实时绘制图像,观察到测量值的变化趋势,更加便于了解实验进程。测量结束后,亦可通过SPARKvue软件对实测数据进行拟合处理,理解物理概念,掌握科学规律。基于SPARK科学学习系统设计的硅光电池特性研究实验已作为物理学院本科生二年级专业物理实验课程———“电磁学实验”的教学内容之一,增加了教学内容,丰富了实验教学手段,有益于提高实验教学质量。
 
1SPARK科学学习系统简介
 
SPARK科学学习系统由数据采集器、系统软件及配套的传感器组成。SPARKLXi数据采集器包括八个虚拟端口、两个PASPORT端口,以及用于包含快速响应温度探针的端口和电压探头,可通过蓝牙技术快速连接PASCO无线或通过Airlink接口连接PASPORT传感器[2]。学生利用SPARKvue软件可以进行传感器数据收集、显示及分析,在网络环境下快速分享实验结果。教师利用实验管理软件创建实验室组,可以建立实时通讯,发送和收集文件,组织在线测试与问答。SPARKvue软件界面如图2所示。界面风格简洁,操作设计简单,实验内容丰富。软件具有实时采集数据,在线处理分析,便携可移动,局域网下协同工作等特点,可以实现对多种物理量的量化测量与分析,是师生进行实验探究的有力支撑[3]。实验采用最为通用的电压传感器UI-5110和电流传感器CI-6556与SPARKLXiDatalogger相连,实时记录并研究硅光电池的光电特性。
 
2实验原理
 
硅光电池的基本结构为一个大面积的非均匀半导体P-N结。当其受一定波长的光照射时,部分电子被激发,产生的电子-空穴对使得N区带负电,P区带正电,P-N结两端产生光电压[4-6]。硅光电池基于光伏效应将光能高效地转换为电能。
 
3实验方法与数据分析
 
3.1硅光电池的光电特性
 
实验光源采用高亮度白色发光二极管,其亮度可通过调整回路电流大小进行控制。实验开始前需要对光强进行标定,利用数字型万用表测量取样电阻R两端电压,计算出电路中的输入电流,并使用OPT-1A功率指示计标定光强。图3为硅光电池照度定标曲线。经过拟合后可知输入电流与光功率正相关,呈现出线性关系,相关系数达到0.9999。实验中所涉及到的光功率均采用式(2)所列的拟合公式进行标定。硅光电池实验线路图如图4所示,调节变阻器R1的阻值,改变光功率,利用SPARKvue软件实时记录、分析开路电压与短路电流的随光功率的变化关系。图5为硅光电池的输出电流随光功率变化曲线,可以直观地看出,呈线性增加趋势,拟合结果如下:利用SPARKvue自带的函数拟合工具,可以快速获得其开路电压与光功率成自然对数的变化规律,如图6所示。UOC=100ln(104(P+0.0319))(4)实验中,随着光照强度的变化,SPARK科学学习系统的界面中数据图表会实时动态响应,学生可以清楚的观察到实验中光照强度对硅光电池的输出电流和电压的影响。
 
3.2不同入射光强下硅光电池的伏安特性
 
3.2.1无光照伏安特性当无光照时,硅光电池的正向伏安特性与二极管类似。即在公式(1)中,当正向电压偏压较大时,指数项远大于1,第二项可忽略,则电流IF与正向偏压VF有如下近关系式:图7为通过电压和电流传感器实时测量得到的硅光电池的暗伏安特性曲线。应用SPARKvue对高亮区域进行拟合,可以直观地看到电流与电压成指数增加关系,与式(5)呈现的规律一致。3.2.2有光照伏安特性当硅光电池受到光照时,载流子的迁移使其两端产生光生电动势,即光伏效应。实验装置如图8所示,选取标定后的光强值,调节变阻器R2的阻值,测量硅光电池在不同光功率下的输出电压与输出电流,得到有光照的伏安特性曲线,如图9所示。从图9中可知,不同光功率下,硅光电池的输出电流均随输出电压的增大而减小。在相同光功率下,硅光电池的输出电压与电流呈现非线性关系,随光电流减弱,硅光电池的输出电压趋于开路电压,实时测量的实验结果符合理论情况。在SPARKvue软件中利用计算工具对横纵坐标进行变换后,即可得到硅光电池在不同光照强度下的输出特性曲线(图10),光照越强,其最大输出功率所对应的负载阻值越小。由图10可知在光功率为0.500mW、0.300mW与0.100mW情况下最大输出功率Pmax分别为41.83μW、22.75μW与5.65μW。由图9与图10可以计算出填充因子F·F分别为0.52、0.55和0.65。转换效率分别为8.4%、7.6%和5.7%。
 
4结束语
 
SPARK科学学习系统提供了一个灵活、可交互的实验测试平台,配合相关的传感器不仅可以实时采集硅光电池的实验数据,还可通过SPARKvue软件对数据结果进行处理分析,实验结果清晰,对硅光电池的特性有更直观的理解。此外,系统的便携性适合学生在课内外开展科学探究与创新实验设计,激发了学生学习和研究的兴趣,在知识积累基础上,实现知识应用,为进一步拓展物理研究方法提供有力支撑。
 
作者:于婷婷 倪晨 方恺 何雨华 池方程 周通 单位:同济大学 物理科学与工程学院

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