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课题2 探索太阳能热能的利用
太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。
让学生在研究型课程中探索利用太阳能热能的基本方法，整合物理学有关热力学的知识。学生在课程中通过实验，在动手、动脑中思考有效提高太阳能利用的效率的基本方法。在教师的指导下归纳得出一些物理学的基本规律和结论。从而设计出有自己见解和特点的太阳能热能利用的方案或设备。达到研究性学习的目的。
本课题实施采用实验法和归纳法。研究思考：
太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为3.75×10W）的22亿分之一，但已高达173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。人类依赖这些能量维持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地热能资源除外）虽然太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，但太阳能的能量密度低，并且因地而异，因时而变。因此在将太阳辐射能转换成热能的太阳能设备中，都要考虑一些最基本的问题，列举如下：
1.2.3.太阳能热能的采集手段。绝热（实际上是隔热）保温问题
热量的传播，即热传导、对流和热辐射。实际上，这三种方式往往是同时存在于热量传播的过程之中的。
引导学生从上述三个方面来思考获取和提高太阳能热能的利用的方法。通过实验来印证假设，在教师帮助下归纳成知识。
研究方法： 1.基本器材：
小包装纯净水（200ml左右）空瓶一个，30×40（厘米）聚乙烯透明塑料袋一个，20×20平方厘米黑纸一张，光亮、平整铝箔包装纸若干，高40厘米的支架一个，TI-83图形计算器及CBL和测温探头等。2.太阳能热能利用效率测定的方法定义：
把同体积、同起始温度的水，经过相同时间内的不同方法的太阳能加热，得到最终温度测量值。最终温度值最高即可确定为效率最高。
2263.研究过程设计： a)太阳能辐射通量简单测试：
对于研究和利用太阳能来说，测量出到达地球表面不同地区的太阳辐射通量的极大值是很重要的。现在已有的有关太阳能资源的资料大部分是利用地面太阳测量仪器收集的。这种收集资料的方法耗资巨大，在中学几乎不可能实施。我们利用TI图形计算器可以作一些简单的实验，对本地区的太阳辐射通量进行研究。
实验过程如下：
将纯净水空瓶装入约4/5容积（200ml）的自来水。然后把输液瓶橡皮塞用器材打出一个小孔，使测温探头能紧密地插入，做到不漏水。
在操场上将装配好的瓶平放在支架上接受太阳光的直射。
把TI-83图形计算器及CBL和测温探头连接好。设定每1分钟测一次，共10次开始测量，将结果存入计算器。
进行不同时间、不同天气下多次实验。
对数据进行对照分析可得出这样的结论：地面上的太阳辐射通量，不同时间（季节和时刻）以及不同天气（晴天和阴天）是不同的。同一天中，中午太阳辐射通量最大。资料表明对于不同地点（如纬度和海拔高度）也是不同的。b)提高太阳能转化成热能效率方法的实验
将a)实验使用的实验装置准备四套，其中一套不作任何改动，做标记为１号。其余三套按下列要求改装。
1.在塑料瓶外包上一个透明度较好的塑料袋，充足空气后扎紧袋口，不得漏气。探头连线留在塑料袋外，与TI-83图形计算器及CBL接好。做标记为２号 2.在塑料瓶外包上一个透明度较好的塑料袋，在塑料瓶外底部贴上一张黑纸，充足空气后扎紧袋口，不得漏气。探头连线留在塑料袋外，与TI-83图形计算器及CBL接好。做标记为３号 3.在第三组实验装置的基础上，在塑料袋外底面用透明胶带粘上光亮铝箔纸，充足空气后成弧形，扎紧袋口，不得漏气。探头连线留在塑料袋外，与TI-83图形计算器及CBL接好。做标记为４号
在操场上将装配好的四组实验装置平放在支架上接受太阳光的直射。同时打开TI-83图形计算器及CBL进行测温。设定每3分钟测一次，共10次开始测量，将结果存入各自计算器。测温结束，把四组采集的数据通过图形计算机自带的数据连线传到一个计算器内，进行数据处理。将数据处理成图形，同时显示四根“时间―温度关系曲线”。斜率最大的曲线即效率最高。
可以得到第四组最好，第三组效率较高。第二组再次之，第一组最差。实验分析：
第一组最差，原因是保温措施不当。周围空气的流动影响较大，造成热对流，能量损失较大，造成升温相对较慢。
第二组次之，因采用了不减弱太阳能辐射又有效的绝热、保温措施，空气的导热性很差，阻滞了被加热的水与外界的热交换。
第三组增加了黑纸，实际上是加大了接受太阳辐射能的能力。
第四组与第三组相比：利用铝箔的反射能力，将原来没有利用的能量加以利用，自然要比第三组效率更高。进一步思考： 如果实验中的瓶子用黑纸完全包起来的，与只在瓶的不直接受阳光照射部分贴上黑纸的热的传导形式是否一样？ 如果实验放在地面上进行，结果会不会与现在的实验相同？会不会对实验产生影响？ 如果实验中所使用的塑料袋是不透明的，会不会对实验产生影响？结果如何？
进一步研究：
学生通过太阳能、新能源等关键词上Internet网查询。用通过实验获得的物理知识和太阳能热能利用的基本原理。设计和开发出实用的、简便的、新颖的太阳能利用的新设备。
关于使用TI-83和CBL来测量温度的方法，已经有许多文章作了非常详细的介绍。限于篇幅，不再赘述.上海第四中学
王宝麟
