В процессе работы над исследовательским проектом по физике "Солнечная постоянная" учениками 10 класса была поставлена цель разработать способ измерения солнечной постоянной с использованием школьного лабораторного оборудования.

Подробнее о работе:

В исследовательской работе по физике "Солнечная постоянная" предлагается вариант изготовления пиргелиометра из представленного в школьной амбулатории оборудования, и проводятся опыты по измерению солнечной постоянной, которые выражены в построении графиков.

В предложенном проекте по физике "Солнечная постоянная" авторами была собрана и проанализирована информация о теории и истории солнечной постоянной, построен пиргелиометр, проведен эксперимент по измерению солнечной постоянной, проверена достоверность полученных результатов и составлены графики солнечной постоянной.

Оглавление

Введение
1. История построения солнечной постояненой.
2. Пиргелиометрия.
3. Построение пиргелиометра.
4. Графики солнечной постоянной.
Выводы
Литература

Введение

Цель: Разработка способа измерения солнечной постоянной с использованием школьного лабораторного оборудования.

Задачи:

1. Собрать информацию из учебной, научно-популярной литературы по солнечной постоянной
2. Проанализировать существующие способы измерения солнечной постоянной
3. Разработать экспериментальную установку
4. Провести эксперимент
5. Проверить достоверность полученных результатов

Актуальность: Знание значения солнечной постоянной очень важно для изучения и прогнозирования процессов в земной атмосфере. Солнечная постоянная определяет развитие альтернативных способов получения энергии. А для нас измерение солнечной постоянной крайне важно при изучении школьного курса физики на основе метода научного познания

Солнце – главный источник света в Солнечной системе!

Солнечная постоянная — суммарная мощность солнечного излучения, приходящегося на единичную площадку, ориентированную перпендикулярно солнечным лучам, на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца вне земной атмосферы

Солнце ежесекундно излучает 3,827 1026 Дж энергии ! Какую часть этой энергии получает Земля? Только одну двухмиллиардную часть !

История измерений солнечной постоянной

Первая попытка определения солнечной постоянной была сделана французским учёным К. М. Пуйе в 1837. В начале XX века в Смитсонианской астрофизической обсерватории проводилась серия высокогорных измерений солнечной постоянной. Согласно полученным данным вариации солнечной постоянной составили от 0,1 до 1%, а средняя величина оказалась равной 1352 Вт/м2.

Исторически первые прямые измерения солнечной постоянной вне тропосферы были выполнены в Ленинградском университете в 1961 группой К.Я. Кондратьева. Комплекс приборов поднимался аэростатом на высоту до 32 км. Всего до 1967 года было проведено 28 подъемов аэростата. Среднее значение по результатам всего комплекса измерений составило 1356 ± 14 Вт/м2.

В период 1968–1969 Р. Уилсоном также были проведены аэростатные измерения. Среднее полученное значение равнялось 1373 ± 14 Вт/м2. Точность аэростатных измерений 0,2–0,5%.

Измерения солнечной постоянной с использованием космических аппаратов обладают большей достоверностью, потому что проводятся за пределами атмосферы. Первое длительное измерение солнечной постоянной за пределами земной атмосферы выполнено в эксперименте, поставленном Лабораторией реактивного движения на искусственных спутниках Земли «Маринер-6» и «Маринер– 7» в 1969 году. Измерения показали, что величина солнечной постоянной не изменялась больше, чем в пределах точности измерений (около ± 0,25%).

В соответствии с реализацией программы эксперимента «Радиационный баланс Земли» (ERB), проведенного с борта космического аппарата «Нимбус–6», запущенного в 1975 , были получены значения солнечной постоянной в диапазоне от 1388 до 1392 Вт/м2. В 1976 году проводились одновременные измерения солнечной постоянной с зондирующей ракеты (высота около 100 км) и космического аппарата «Нимбус–6». Осредненное значение оказалось равным 1367 ± 6 Вт/м2.

Начиная с запуска американских спутников «Нимбус–7» (1978), а затем и SMM (1980), оснащенных полостными радиометрами, начался новый этап в измерении солнечной постоянной. Впервые за всю историю определения солнечной постоянной ее измерения достигли точности в сотые доли процента.

Пиргелиометрия

Пиргелиометр – абсолютный прибор для измерений прямой солнечной радиации, падающей на поверхность, перпендикулярную лучам. Принцип действия – измерение количества тепла, образующегося при поглощении солнечного излучения

В 1892 русский физик Хвольсон разработал теорию абсолютных измерений. солнечной

В России в качестве эталонного принят пиргелиометр Ангстрема, созданный в 1896. Он представляет собой две одинаковые тонкие зачерненные пластины и термопару, соединённую с ними. Одна из пластин нагревается солнечным излучением, вторая, защищённая от солнечных лучей, нагревается током.

При равных температурах пластин термопара не даёт тока. Количество солнечного тепла, поглощённого первой пластиной определяется по радиации с помощью пиргелиометра. Измерения в пиргелиометре Хвольсона производились с помощью двух медных пластин, одна из которых нагревалась солнечными лучами, и термопары, выделявшей ток, который измерялся гальванометром значению тока, подаваемого на вторую пластину для компенсации разницы

В США эталонным прибором является водоструйный пиргелиометр Аббота с конструктивными температур поправками советского учёного В. М. Шульгина. Датчиком служит помещённая под солнечный свет зачернённая камера, омываемая потоком воды. Такая же камера, но затенённая, нагревалась электрическим током так, чтобы температура выходящих из этих камер потоков воды была одинакова, что измерялось термоэлементами

В современных пиргелиометрах сенсором служат термобатареи — ряд последовательно соединённых термоэлементов (полупроводниковые элементы, использующие термоэлектрические явления)

Наш пиргелиометр решено было сделать из пластиковогоконтейнера для соуса

Оборудование:

• Измерительная установка (штатив, муфта, лапка, платформа с внешним стаканом калориметра, транспортиром и отвесом, крышка с установленным перпендикулярно стержнем)
• Калориметр
• Мультиметр MS 8221 с термопарой
• Герметичный полиэтиленовый контейнер объёмом 30 мл

Построение графика

Зависимость изменения температуры от времени

Мы узнали, что КПД можно измерять лишь на начальном, далеком от насыщения участке, следовательно, и солнечную постоянную нужно считать только так !

Выбор данных для расчета

Зависимость изменения температуры от времени

1. Нами была разработана экспериментальная установка для измерения солнечной постоянной на базе школьного оборудования

2. Проведены эксперименты двумя бригадами 23.05.2018 и 24.05.2018 (третьей бригаде не повезло с погодой – и эксперимент так и не состоялся)

3. Несмотря на некоторые незначительные различия в экспериментальных данных двух бригад начальный этап измерений был взят один и тот же (за 25 мин температура увеличилась на 18оС), поэтому рассчитанное значение солнечной постоянной полностью совпало – 995 Вт/м2

4. Разработанная установка и схема эксперимента позволят в дальнейшем проводить измерение солнечной постоянной фронтально прямо на уроке при изучении оптики. При условии хорошей погоды можно лишь измерить увеличение температуры за 20 – 25 мин – этого будет достаточно для оценки значения солнечной постоянной

Список литературы

• Макарова Е.А., Харитонов А.В., Распределение энергии в спектре Солнца и солнечная постоянная, М., 1972.
• Поток энергии Солнца и его изменения, под ред. О. Уайта, пер. с англ., М., 1980.
• Кмито А.А., Скляров Ю.А., Пиргелиометрия, Л., 1981.
• Тенденции и причины изменений глобального климата земли в современную эпоху.
• Александр Король, Солнечная постоянная и ее измерение
• Физический практикум для классов с углубленным изучением физики: 10 – 11 класс, под редакцией Ю. И. Дика и О. Ф. Кабардина, 2-ое издание, М., Просвещение, 2002.