梁中 王笑君

摘? 要：介紹一種用日常生活用品自制簡易日照計(jì)，并用以進(jìn)行測量日射量的實(shí)驗(yàn)方法，以加深學(xué)生對(duì)太陽光中能量的理性認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：自制教具;日照計(jì);日射量

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2020）9-0053-2

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中（2017年版）》對(duì)選修2的“物理學(xué)與新能源”部分提出了“了解太陽能利用的常見方式及應(yīng)用前景”的內(nèi)容要求?；诖艘螅煽紤]應(yīng)用日照計(jì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)照射到地面的太陽光的能量進(jìn)行測定，加深學(xué)生對(duì)包括太陽能在內(nèi)的來自大自然的可再生能源的理性認(rèn)識(shí)，啟發(fā)其關(guān)于全球變暖和城市氣候等問題的思考?？紤]到我國當(dāng)前高中的實(shí)驗(yàn)儀器配備狀況，不論是氣象學(xué)中較為基礎(chǔ)的暗筒式日照計(jì)[1]或是為學(xué)生實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)的簡易日照計(jì)（圖1）均不多見，因而提供一種利用生活常見或可簡單采購到的物品自制日照計(jì)，并用該儀器進(jìn)行測定太陽能的物理實(shí)驗(yàn)的思路。

1? ? 實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，實(shí)驗(yàn)裝置的側(cè)面示意圖如圖3所示。

2? ? 實(shí)驗(yàn)裝置制作所需材料

塊狀泡沫塑料、一面涂黑的容器（方形塑料瓶、帶吸嘴的鋁箔袋等）、傾角可調(diào)的支架（如平板電腦的支架）、溫度計(jì)、大頭釘及其他必要的輔助用具。

3? ? 自制日照計(jì)的方法

（1）先用黑色油性筆或啞光黑色噴霧將容器的一面涂黑，并用鉆頭在容器的蓋子中央鉆出一個(gè)可以放入溫度計(jì)的小孔。如使用的是帶吸嘴的鋁箔袋，則無須鉆孔，改為在吸嘴處放入溫度計(jì)后用裁剪下來的氣球嘴等包裹固定。

（2）將塊狀泡沫塑料裁切出適當(dāng)大小的一塊，然后根據(jù)容器的尺寸，用美工刀小心地在泡沫塑料中挖出恰好可以放入容器的空間。

（3）利用平板電腦的支架搭配必要的輔助用品（如竹簽和膠帶等），將泡沫塑料固定在支架上，使其可以隨著支架調(diào)節(jié)與地面間的傾角。

（4）將大頭釘垂直于日照計(jì)的表面插入泡沫塑料中，往容器內(nèi)注滿水并將已固定好溫度計(jì)的瓶蓋安裝上，自制日照計(jì)便制作完成。還可以在泡沫塑料側(cè)面用鉛錘和量角器簡單地測量陽光入射的角度。

4? ? 測定太陽能實(shí)驗(yàn)的步驟

（1）最好選擇晴朗的日子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將日照計(jì)的容器部分取出，測量并記錄受光面（即涂黑部分）的面積、容器重量和容積。用水注滿容器，設(shè)置溫度計(jì)，將玻璃泡調(diào)整至容器中心附近。注意為降低氣溫對(duì)水溫的影響，應(yīng)控制注入的水溫度比氣溫略低為最佳。此外，應(yīng)將容器外的水滴拭干。

（2）將容器放回泡沫塑料中，調(diào)整支架的傾角至大頭釘?shù)挠白訛樽钚〉臅r(shí)候，表明此時(shí)日照計(jì)受光面和陽光是垂直的。

（3）用溫度計(jì)測定并記錄水溫，在之后的時(shí)間內(nèi)，每一分鐘測定并記錄一次水溫，建議將該步驟持續(xù)二十分鐘以上。在約二十分鐘的這段時(shí)間內(nèi)，太陽光入射角的變化通常不大，過程中可以不需要調(diào)整支架的傾角。

（4）將記錄的水溫變化數(shù)據(jù)制作成水溫-時(shí)間圖，選取其中符合線性變化的一段。

（5）根據(jù)容器的材質(zhì)查詢其比熱容c[J/（g·℃）]，并計(jì)算容器的熱容量C1（J/℃）：C1=m×c

計(jì)算所用水的熱容量C2（J/℃）：

根據(jù)水溫-時(shí)間圖中選取出的部分計(jì)算得每秒的水溫上升率T（℃/s），最后根據(jù)該值求出每平方米每秒的太陽輻射量，即日射量I（W/m2）：

5? ? 實(shí)驗(yàn)后可思考的問題

學(xué)生求得的日射量同太陽常數(shù)，即地表單位面積受到垂直入射的平均太陽輻射強(qiáng)度1366 W/m2進(jìn)行比較[2]，并從大氣吸收和散射、云層吸收和反射、霧霾、沙塵、太陽傾角以及實(shí)驗(yàn)儀器和方法等多個(gè)角度分析兩者之間存在的區(qū)別[3]。對(duì)其中由實(shí)驗(yàn)儀器和方法所帶來的誤差，可以通過討論提出合理的改進(jìn)建議，進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)。

6? ? 總? ?結(jié)

用日常生活用品自制實(shí)驗(yàn)裝置，既可在一定程度上滿足學(xué)生進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)加深對(duì)理論知識(shí)了解的需要，又能夠讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)從準(zhǔn)備到進(jìn)行的整個(gè)過程中充滿參與感和自主性。就本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)而言，所需的實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)并不復(fù)雜，但能獲得不錯(cuò)的實(shí)驗(yàn)效果，而且根據(jù)學(xué)生所擁有的材料以及其對(duì)實(shí)驗(yàn)本身的思考和反饋的不同，可以鼓勵(lì)學(xué)生自主地對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行較大程度的調(diào)整或改進(jìn)，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜傳耀，李棟，張?zhí)烀?，?三種日照觀測設(shè)備性能比對(duì)及影響因子分析[J].氣象科技，2018，46（1）：29-33.

[2]王紹武.太陽常數(shù)[J].氣候變化研究進(jìn)展，2009，5（1）：61-62.

[3]李正陽，方琦，李學(xué)鵬.太陽輻射量與入射角關(guān)系的實(shí)驗(yàn)探究[J].地理教學(xué)，2019（21）：61-63.

（欄目編輯? ? 王柏廬）