用自制日照計測定日射量

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，并用以進行測量日射量的實驗方法，以加深學生對太陽光中能量的理性認識。

關(guān)鍵詞：自制教具;日照計;日射量

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）9-0053-2

《普通高中物理課程標準中（2017年版）》對選修2的“物理學與新能源”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?，可考慮應(yīng)用日照計設(shè)計實驗，對照射到地面的太陽光的能量進行測定，加深學生對包括太陽能在內(nèi)的來自大自然的可再生能源的理性認識，啟發(fā)其關(guān)于全球變暖和城市氣候等問題的思考。考慮到我國當前高中的實驗儀器配備狀況，不論是氣象學中較為基礎(chǔ)的暗筒式日照計[1]或是為學生實驗而設(shè)計的簡易日照計（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，并用該儀器進行測定太陽能的物理實驗的思路。

1? ? 實驗裝置圖

實驗裝置如圖2所示，實驗裝置的側(cè)面示意圖如圖3所示。

2? ? 實驗裝置制作所需材料

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、大頭釘及其他必要的輔助用具。

3? ? 自制日照計的方法

（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可以放入溫度計的小孔。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的瓶蓋安裝上，自制日照計便制作完成。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? ? 測定太陽能實驗的步驟

（1）最好選擇晴朗的日子進行實驗。將日照計的容器部分取出，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，將玻璃泡調(diào)整至容器中心附近。注意為降低氣溫對水溫的影響，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候，表明此時日照計受光面和陽光是垂直的。

（3）用溫度計測定并記錄水溫，在之后的時間內(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·℃）]，并計算容器的熱容量C1（J/℃）：C1=m×c

計算所用水的熱容量C2（J/℃）：

根據(jù)水溫-時間圖中選取出的部分計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? ? 實驗后可思考的問題

學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度1366 W/m2進行比較[2]，并從大氣吸收和散射、云層吸收和反射、霧霾、沙塵、太陽傾角以及實驗儀器和方法等多個角度分析兩者之間存在的區(qū)別[3]。對其中由實驗儀器和方法所帶來的誤差，可以通過討論提出合理的改進建議，進一步完善實驗。

6? ? 總? ?結(jié)

用日常生活用品自制實驗裝置，既可在一定程度上滿足學生進行物理實驗加深對理論知識了解的需要，又能夠讓學生在實驗從準備到進行的整個過程中充滿參與感和自主性。就本文設(shè)計的實驗而言，所需的實驗裝置設(shè)計并不復雜，但能獲得不錯的實驗效果，而且根據(jù)學生所擁有的材料以及其對實驗本身的思考和反饋的不同，可以鼓勵學生自主地對實驗裝置進行較大程度的調(diào)整或改進，啟發(fā)學生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學生的綜合能力。

參考文獻：

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

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

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

（欄目編輯? ? 王柏廬）