1、1壹、摘要：一、利用散熱器及散熱板接受日照，利用內部水溫上升計算所吸收熱量。二、利用固定功率的光源校準散熱器及散熱板的轉換比率。三、推算我們所估計之太陽日照能量。四、查詢科學家們所測量太陽的量換算，與實驗所得的數值加以討論。五、討論實驗誤差與改進方式。貳、研究動機：在自然第三冊第四章第二節熱量與比熱中，提到物體溫度升高、吸收熱量的計算方式。由第三節熱的傳播中，我們知道地球上所有的物質能量經由太陽的輻射轉換而來，太陽的能量到底有多少？可以用什麼樣的方式來測量？如何用最簡單方式估自太陽的能量？太陽的方位角度和實際的日照能量之間有關係，用太陽和地球的公轉及地球的自轉軸的傾斜角度計算與估計，利用我們的
2、方式，是否可以正確估計。參、研究目的：一、了解輻射能量的測量與計算方式。二、知道地球對太陽的公轉與地球自轉軸關係。三、了解地球日照與季節的關係。四、能畫出太陽照射角度與能量的關係，並推算垂直日照時能量大小。肆、研究設備及器材：一、儀器：散熱板、探照燈、量筒、燒杯、溫度計、長竹竿、白紙數張。二、儀器簡圖：伍、研究過程：一、每日近中午測量日照：吸熱板內加入固定量水，測量室溫與水初溫，在確定垂直陽光下照射後，記錄下水溫上升，計算吸收能量大小。H m S （T 1T 2）Ps：轉動吸熱板的角度，當竹竿影子最小時，即為吸熱板垂直的狀態。2二、 利用探照燈測量計算轉換能量比率。轉換能量比率：（吸熱板吸熱能
3、量 探照燈供應能量）100單位均為焦耳（J）單位轉換：1 卡4.18 焦耳三、 上網查詢太陽光在地球垂直日照的大小。陸、研究結果：一、校準儀器轉換比例使用電暖爐功率為 300W(J/S)-每秒 300 焦耳日期 2 月 20 日室溫 24.2 度水量 400ml照射時間 水初溫 水末溫 溫度改變 計算吸收熱量(卡) 轉換單位(J) 放出熱量(J) 轉換比例3 分鐘 21.0 度 31.2 10.2 4080 17054.4 54000 32%6 分鐘 21.0 度 42.4 21.4 8560 35780.8 108000 33%9 分鐘 21.0 度 49.7 28.7 11480 4798
4、6.4 162000 30%12 分鐘 21.0 度 52.8 31.8 12720 53169.6 216000 25%15 分鐘 21.0 度 54.4 33.4 13360 55844.8 270000 21%18 分鐘 21.0 度 55.7 34.7 13880 58018.4 324000 18%日期 2 月 29 日室溫 23.4 度水量 400ml照射時間 水初溫 水末溫 溫度改變 計算吸收熱量(卡) 轉換單位(J) 放出熱量(J) 轉換比例3 分鐘 21.2 度 32.1 10.9 4360 18224.8 54000 34%6 分鐘 21.2 度 42.7 21.5 860
5、0 35948.0 108000 33%9 分鐘 21.2 度 48.5 27.3 10920 45645.6 162000 28%12 分鐘 21.2 度 53.4 32.2 12880 53838.4 216000 25%15 分鐘 21.2 度 54.2 33 13200 55176.0 270000 20%18 分鐘 21.2 度 54.9 33.7 13480 56346.4 324000 17%3日期 3 月 6 日室溫 25.2 度水量 400ml照射時間 水初溫 水末溫 溫度改變 計算吸收熱量(卡) 轉換單位(J) 放出熱量(J) 轉換比例3 分鐘 22 度 34.1 10.2
6、 4080 17054.4 54000 32%6 分鐘 22 度 42.5 21.4 8560 35780.8 108000 33%9 分鐘 22 度 49.3 28.7 11480 47986.4 162000 30%12 分鐘 22 度 54.1 31.8 12720 53169.6 216000 25%15 分鐘 22 度 56.7 33.3 13320 55677.6 270000 21%18 分鐘 22 度 57.2 34.7 13880 58018.4 324000 18%二、吸收熱量與放出熱量作圖照射時間 放出(J) 吸收一(J) 吸收二(J) 吸收三(J)3 分鐘 54000
7、17054.4 18224.8 17054.46 分鐘 108000 35780.8 35948.0 35780.89 分鐘 162000 47986.4 45645.6 47986.412 分鐘 216000 53169.6 53838.4 53169.615 分鐘 270000 55844.8 55176.0 55677.618 分鐘 324000 58018.4 56346.4 58018.41.圖片中我們知道轉換比例大約是 14%但是因為在不同的時間轉換比例不同我們選擇十五分鐘為我們的實驗時間.2.方程式中末尾數 17939 為儀器本身的吸收能量.此能量在計算時應該扣除.3.實驗次數很
8、多,挑選數字最接近者.4註：大氣吸收能量的計算方式為： 1 （測量太陽常數/理論上太陽常數）二、測量太陽的能量室溫 25.2 度水量 400ml日照時間 9 分鐘接收器面積 730 平方公分日期 室溫 水初溫 水末溫 開始時間 結束時間 水溫上升單位面積能量(J)能量轉換比率計算太陽常數估計大氣吸收能量4 月 21 日 30 度 24.3 41.8 10:22 10:31 17.5 40.082 30% 1.336 31.5%4 月 22 日 29 度 27.1 43.9 12:36 12:45 16.8 38.479 30% 1.283 34.2%4 月 23 日 27 度 27.3 46.
9、6 10:20 10:29 19.3 44.205 30% 1.473 24.4%4 月 26 日 28 度 23.8 40.4 12:35 12:44 16.6 38.021 30% 1.267 35.0%4 月 28 日 26 度 23.4 38.5 10:18 10:27 15.1 34.585 30% 1.153 40.9%4 月 29 日 29 度 24.8 40.2 12:40 12:49 15.4 35.272 30% 1.176 39.7%4 月 30 日 26 度 25.0 40.6 12:30 12:39 15.6 35.730 30% 1.191 38.9%5 月 3 日
10、 30 度 27.5 44.2 12:35 12:44 16.7 38.250 30% 1.275 34.6%5 月 10 日 28 度 26.8 45 11:15 11:24 18.2 41.685 30% 1.390 28.7%平均 1.283 34.2%日期 室溫 水初溫 水末溫 開始時間 結束時間 水溫上升單位面積能量(J)能量轉換比率 太陽常數估計大氣吸收能量4 月 21 日 30 度 24.3 41.8 10:22 10:31 17.5 40.082 14% 0.624 68.0%4 月 22 日 29 度 27.1 43.9 12:36 12:45 16.8 38.479 14%
11、 0.599 69.3%4 月 23 日 27 度 27.3 46.6 10:20 10:29 19.3 44.205 14% 0.688 64.7%4 月 26 日 28 度 23.8 40.4 12:35 12:44 16.6 38.021 14% 0.591 69.7%4 月 28 日 26 度 23.4 38.5 10:18 10:27 15.1 34.585 14% 0.538 72.4%4 月 29 日 29 度 24.8 40.2 12:40 12:49 15.4 35.272 14% 0.549 71.9%4 月 30 日 26 度 25.0 40.6 12:30 12:39
12、15.6 35.730 14% 0.556 71.5%5 月 3 日 30 度 27.5 44.2 12:35 12:44 16.7 38.250 14% 0.595 69.5%5 月 10 日 28 度 26.8 45 11:15 11:24 18.2 41.685 14% 0.648 66.7%平均 0.599 69.3%5柒、討論：一、因為吸熱板在吸熱的同時也會散熱，實驗之中我們先利用探照燈測量不同時間溫度上升的狀況，能量轉換的比例換算太陽到達地面的實際能量大小。二、實驗中儀器由金屬製作，金屬比熱小，但質量大吸熱狀況必須考慮。在校準的實驗中，我們發現水溫上升的溫度並不是成完全的正比，儀器
13、的吸熱狀況要先扣除，儀器吸熱在九分鐘時約為 30。三、太陽在天空中的角度對這一個實驗無關，在實驗中，我們將吸熱板垂直面對太陽，不同時間轉動其角度，減少誤差。四、我們發現天空中的雲量和室溫會影響實驗結果，我們選擇最接近晴朗的天氣做實驗，排除雲量、潮濕度其他影響。五、在實驗中我們固定儀器吸收太陽光的時間（9 分鐘） ，避免時間太長已經吸收的熱量散失在空氣中，將影響實驗的結果。捌、結論：一、 儀器的能量轉換比率我們以 30與 14計算一次，發現計算出來太陽系數均偏低，大氣吸收的能量非常多，雲量、水氣、風等影響甚大，大氣吸收比例大約為 36.4與70.3，我們認為前者的實驗數據與儀器能量轉換比例較為正
14、確，所以大膽估計大氣吸收能量為 36.4。若能夠將儀器搬至高山上，減少大氣的吸收狀況，其實驗結果將更接近理想值。二、 太陽光如何傳遞？Ans：在太陽的內部，輻射是主要的 能量傳遞方式。光子從太陽的內部跑到表面需經過多次的被吸收及重 新釋放等反覆不斷的過程，耗時長達百萬年之久。大陽輻射經過漫長太空旅程到達地球，受大氣的反射、吸收、散發後，大約有 46% 被地面吸收，地面吸收輻射同時也向外放出輻射，吸收輻射可增高溫度，放出則降低溫度。地面向外放出輻射的波長較長，稱為地面長波輻射或長波輻射。大氣層內含有各種不同氣體和物質，對各種不同波長的輻射，都是選擇性的吸收。大氣對波長較短的太陽輻射不是好的吸收體
15、，但對地面長波輻射卻能大部份吸收，因此大氣增暖氣溫上升所需熱能的主要來源，是來自大氣層底的地面長波輻射，對地球能量的來源太陽輻射而言，可說是間接影響。三、 太陽常數：距離太陽一億五千萬公里並面對太陽的地方，每平方公分、每分鐘內所承受的熱量約為 1.95 卡，這叫做太陽常數。在地球上測定太陽常數時，由於大氣層的影響，一部份的光線會被吸收，所得的結果往往失去正確性。因此科學家們已嘗試使用火箭或人造衛星，在地球的大氣層外進行直接的測定。四、 太陽的能量是一直不變的嗎？Ans：太陽能量輸出微小的變化不會影響地球的溫度，但是超過一世紀或更久的長期逐漸減少，則會造成全球的溫度降低。也有證據顯示地球上在以往
16、也有太陽常數改變的情形。在西元 1430 到 1850 年間在歐洲及美洲都有不尋常的寒冷氣候，稱為小冰期 。當時的氣溫約6比今日全球平均溫度低絕對溫度一度左右。雖然造成氣候改變的因素很多，但是這次的冰期很有可能是因為太陽常數降低百分之一所造成。五、 實驗如何改進可以更有效率？A：1.對準太陽。2.水量剛好。3. 不要淋雨、以免機器生鏽。4.在同一環境測量。5.同一支溫度計 6.不在人潮擁擠區測量。7.在空曠地區測量。8.同一天氣象進行。玖、參考資料及其他：一、高源清 牛頓科學研習百科宇宙篇 第一版 中華民國 牛頓出版股份有限公司 20 頁至29 頁 1993 年 9 月 1 日二、淡江物理系資
17、料庫 http:/anyon.phys.tku.edu.tw三、彰化師範大學遠距教師輔導系統http:/pck.bio.ncue.edu.tw/pckweb/database/data2/ck/senior/ch1/1-1/earth/sun.htm7中華民國第四十四屆中小學科學展覽會作品送展表科別 地球科學作品名稱 地球的能量來源太陽能量組別 國中組作者姓名 1.賴苡任 2.鍾坤達 3.林俊瑋 4.黃智永出生日期 79 年 3 月 11 日 79 年 5 月 17 日 78 年 9 月 24 日 78 年 9 月 14 日身分證字號 K122470159 K122265872 K122263609 K122470453就讀學校全銜及年級苗栗國中八年級苗栗國中八年級苗栗國中八年級苗栗國中八年級工作項目及具體貢獻實驗規劃及資料查詢 40實驗進行 20數據及報告整理 20數據及報告整理 20第一作者學校地址 360 苗栗縣苗栗市高苗里木鐸山一號第一作者學校電話 037-320226指導教師姓名 傅淑卿出生日期 68 年 11 月 12 日身分證字號 K221433627服務學校全銜 苗栗縣立苗栗國中指導項目及具體貢獻 協助實驗規劃及報告整理作品教材之相關姓（請註明教學單元）自然第三冊第四章第二節熱量與比熱第三節熱的傳播 指導教師簽名
