Question

有人在夏季用簡易曬水箱給水加熱用來淋浴，這不僅節(jié)省能源，而且很方便，李明和張華想利用這樣的裝置估測太陽光對地球表面輻射的強度大小。也就是說，太陽光垂直照射地球表面時，地球表面單位時間內(nèi)單位面積上所獲得的能量是多少。實驗裝置如圖2所示，曬水箱內(nèi)部是被涂黑的，箱體外加了保溫層，上面開口并蓋有透明玻璃板。

在估測之前要首先弄清，透過玻璃板的太陽光能量究竟占太陽輻射到玻璃板上的能量的百分之幾？李明和張華哥那一塊實驗用的玻璃板，把陽光反射到墻上的同一個地方，他們發(fā)現(xiàn)，兩塊反射光斑重疊處的強度，和太陽光直接射到地上的強度差不多。

（1）透過玻璃板的太陽光能量占太陽輻射到玻璃板上的能量的百分之幾？你在得出這個結(jié)論時做了什么假設(shè)？假設(shè)的根據(jù)是什么？

（2）請你幫助他們設(shè)計實驗方案，并寫出實驗步驟。

（3）請你對這個實驗方案的可行性作出評價。

Answer 1

該問題沒有惟一的標(biāo)準(zhǔn)答案，屬于開放性試題，以下內(nèi)容可以作為基本依據(jù)．

    (1)假設(shè)玻璃板對光的吸收可以忽略．其根據(jù)是薄玻璃板十分透明(實際上玻璃對紅外線不很透明，而紅外線的熱效應(yīng)是比較強的，這點可不作為對學(xué)生要求)．通過李明和張華的實驗結(jié)果可以推測，每塊玻璃板反射的太陽光只有入射光能量的一半，這就是說，入射玻璃板的太陽光有一半被玻璃板反射了．所以，透過玻璃板的太陽光能量占太陽輻射到玻璃板上的能量的50％．

    (2)實驗方案：若實驗過程中總能使太陽光垂直入射，且曬水箱內(nèi)部涂黑，可以認(rèn)為射入曬水箱的太陽光不再被反射出去，曬水箱吸熱效率為50％．另外，曬水箱周圍有保溫層，可以認(rèn)為沒有熱量散失．若曬水箱吸收的熱量完全用來使水的溫度升高，測出保溫箱中一定質(zhì)量的水在一定時間里，其內(nèi)能增加了多少，并測量出太陽光垂直照射物體表面的面積，就可以計算出太陽光垂直照射地球表面時，地球表面單位時間單位面積所獲得的太陽光照射的能量是多少．

    實驗步驟如下：

    ①向曬水箱中倒入質(zhì)量為m的清水．并用溫度計測量此時水的溫度t0。

    ②用刻度尺測量曬水箱蓋的面積S。將曬水箱開口朝向垂直陽光的方向，蓋好玻璃板開始計時．經(jīng)過t時間后(如3h)，再測量水的溫度t溫。

③經(jīng)過t時間后（如3h），再測量水的溫度t溫。

④太陽光對地球表面輻射的強度是cm(t溫－t　)/(tS×50％)

（3）從實際問題的要求來看，該問題是要進(jìn)行估測，因此其中有許多東西就必須進(jìn)行合理地簡約．如，“假設(shè)玻璃板對光的吸收可以忽略”“若實驗過程中總能使太陽垂直入射”“沒有熱量散失”等假設(shè)都是允許的，而且是應(yīng)該的．但是上述這種簡約，必須會對估測結(jié)果帶來一定的影響．此外，還有某些因素未給予考慮，如實驗過程中天氣的變化所引起的環(huán)境溫度的變化等，因而，估測結(jié)果與真實值之間會有相當(dāng)大的偏差是不可回避的．但就其取平均效果來說是可行的．