用自制日照计测定日射量
梁中 王笑君
摘? 要：介绍一种用日常生活用品自制简易日照计，并用以进行测量日射量的实验方法，以加深学生对太阳光中能量的理性认识。
关键词：自制教具;日照计;日射量
中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2020）9-0053-2
《普通高中物理课程标准中（2017年版）》对选修2的“物理学与新能源”部分提出了“了解太阳能利用的常见方式及应用前景”的内容要求。基于此要求，可考虑应用日照计设计实验，对照射到地面的太阳光的能量进行测定，加深学生对包括太阳能在内的来自大自然的可再生能源的理性认识，启发其关于全球变暖和城市气候等问题的思考。考虑到我国当前高中的实验仪器配备状况，不论是气象学中较为基础的暗筒式日照计[1]或是为学生实验而设计的简易日照计（图1）均不多见，因而提供一种利用生活常见或可简单采购到的物品自制日照计，并用该仪器进行测定太阳能的物理实验的思路。
1? ? 实验装置图
实验装置如图2所示，实验装置的侧面示意图如图3所示。
2? ? 實验装置制作所需材料
块状泡沫塑料、一面涂黑的容器（方形塑料瓶、带吸嘴的铝箔袋等）、倾角可调的支架（如平板电脑的支架）、温度计、大头钉及其他必要的辅助用具。
3? ? 自制日照计的方法
（1）先用黑色油性笔或哑光黑色喷雾将容器的一面涂黑，并用钻头在容器的盖子中央钻出一个可以放入温度计的小孔。如使用的是带吸嘴的铝箔袋，则无须钻孔，改为在吸嘴处放入温度计后用裁剪下来的气球嘴等包裹固定。
（2）将块状泡沫塑料裁切出适当大小的一块，然后根据容器的尺寸，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间。
（3）利用平板电脑的支架搭配必要的辅助用品（如竹签和胶带等），将泡沫塑料固定在支架上，使其可以随着支架调节与地面间的倾角。
（4）将大头钉垂直于日照计的表面插入泡沫塑料中，往容器内注满水并将已固定好温度计的瓶盖安装上，自制日照计便制作完成。还可以在泡沫塑料侧面用铅锤和量角器简单地测量阳光入射的角度。
4? ? 测定太阳能实验的步骤
（1）最好选择晴朗的日子进行实验。将日照计的容器部分取出，测量并记录受光面（即涂黑部分）的面积、容器重量和容积。用水注满容器，设置温度计，将玻璃泡调整至容器中心附近。注意为降低气温对水温的影响，应控制注入的水温度比气温略低为最佳。此外，应将容器外的水滴拭干。
（2）将容器放回泡沫塑料中，调整支架的倾角至大头钉的影子为最小的时候，表明此时日照计受光面和阳光是垂直的。
（3）用温度计测定并记录水温，在之后的时间内，每一分钟测定并记录一次水温，建议将该步骤持续二十分钟以上。在约二十分钟的这段时间内，太阳光入射角的变化通常不大，过程中可以不需要调整支架的倾角。
（4）将记录的水温变化数据制作成水温-时间图，选取其中符合线性变化的一段。
（5）根据容器的材质查询其比热容c[J/（g·℃）]，并计算容器的热容量C1（J/℃）：C1=m×c
计算所用水的热容量C2（J/℃）：
根据水温-时间图中选取出的部分计算得每秒的水温上升率T（℃/s），最后根据该值求出每平方米每秒的太阳辐射量，即日射量I（W/m2）：
5? ? 实验后可思考的问题
学生求得的日射量同太阳常数，即地表单位面积受到垂直入射的平均太阳辐射强度1366 W/m2进行比较[2]，并从大气吸收和散射、云层吸收和反射、雾霾、沙尘、太阳倾角以及实验仪器和方法等多个角度分析两者之间存在的区别[3]。对其中由实验仪器和方法所带来的误差，可以通过讨论提出合理的改进建议，进一步完善实验。
6? ? 总? ?结
用日常生活用品自制实验装置，既可在一定程度上满足学生进行物理实验加深对理论知识了解的需要，又能够让学生在实验从准备到进行的整个过程中充满参与感和自主性。就本文设计的实验而言，所需的实验装置设计并不复杂，但能获得不错的实验效果，而且根据学生所拥有的材料以及其对实验本身的思考和反馈的不同，可以鼓励学生自主地对实验装置进行较大程度的调整或改进，启发学生的创新意识，培养学生的综合能力。
参考文献：
[1]杜传耀，李栋，张天明，等.三种日照观测设备性能比对及影响因子分析[J].气象科技，2018，46（1）：29-33.
[2]王绍武.太阳常数[J].气候变化研究进展，2009，5（1）：61-62.
[3]李正阳，方琦，李学鹏.太阳辐射量与入射角关系的实验探究[J].地理教学，2019（21）：61-63.
（栏目编辑? ? 王柏庐）
