Эксперимент

Как мы измерили солнечную постоянную

Замечательным примером «быстрого» применения знания является измерение «солнечной постоянной». Для этого необходимо в ясный, солнечный и безветреный день выйти на улицу и, закрыв глаза, «посмотреть» на Солнце. Возникнут определённые ощущения теплоты и красноты. Запомните эти ощущения. После этого добейтесь таких же ощущений, приближаясь к электрической лампочке в комнате. Зная мощность лампочки P и расстояние до неё R от ощущающего теплоту места на лице, рассчитайте плотность потока энергии излучения лампочки по формуле

Полученное значение по порядку величины не так далеко от табличной величины солнечной постоянной. Окна нашего кабинета физики выходят на солнечную сторону, лампочка накаливания номинальной мощностью 500 Вт подключалась к выходу автотрансформатора с номинальным напряжением 220 В. В табл. 1 приведены результаты, полученные на уроке десятью учениками.

Таблица 1

R, м	0,2	0,18	0,24	0,17	0,22	0,16	0,23	0,21	0,18	0,19
W, Вт/м2	1000	1230	690	1375	800	1550	750	900	1480	1100

Среднее значение солнечной постоянной оказалось приблизительно равным 1080 Вт/м², средний модуль отклонения от среднего значения (абсолютная погрешность) 250 Вт/м², а относительная погрешность 23%: W = (1080 ± 250) Вт/м². (Можно определить также среднее квадратичное отклонение или рассчитать погрешность методом границ.) Полученное значение несколько меньше табличного 1360 Вт/м² [1, 2].

Полученный результат нас не удовлетворил, ведь оценка была сделана по субъективным ощущениям учеников, которые заметно отличались друг от друга, да и относительная погрешность оказалась очень большой. Нужен был более точный измерительный прибор, в качестве которого ученики предложили использовать фотоэлемент. В нашем кабинете физики два фотоэлемента – селеновый демонстрационный и кремниевый. спираль в 500-ваттной лампочке накаливания расположена в одной плоскости по центру лампочки, поэтому штангенциркулем мы измерили диаметр лампочки, а расстояние от фотоэлемента до спирали находили как сумму расстояния от фотоэлемента до баллона лампочки и радиуса баллона. Допускаем, что абсолютная погрешность измерения этого расстояния вполне могла быть равна 5 мм (спираль находится не в центре баллона), а относительная погрешность мощности лампочки при номинальном напряжении около 5%. Тогда относительная погрешность измерения солнечной постоянной составляет = 0,05 + 2 · 0,025 = 0,1 ≈ 10%.

Результаты наших измерений приведены в табл. 2.

Таблица 2

Фотоэлемент	ЭДС фотоэлемента, мВ		Расстояние R, см		Солнечная постоянная, Вт/м2
	Утром	В обед	Утром	В обед	Утром	В полдень
Кремниевый Селеновый	425 ±5 250 ±5	450 ±5 265 ±5	20,8 ±0,5 20,0 ±0,5	19,7 ±0,5 19,0 ±0,5	920 ±100 1000 ±100	1020 ±100 1100 ±100

Полученное значение солнечной постоянной оказалась также меньше табличного значения, но теперь эту ошибку измерения можно было объяснить рассеянием солнечного излучения в атмосфере Земли. Действительно, утром солнечным лучам приходится преодолевать бóльшую толщину слоя атмосферы, при этом рассеивается около солнечного излучения, а в обед (последняя декада мая, небо ясное, около 14 ч) – около 25%. Известно (см. «Большую российскую энциклопедию», 2005 г.), что альбедо Земли около 30%, поэтому неудивительно, что наш результат с учётом погрешности измерения близок к этому значению.

URL: http://www.asu.edu

 

Литература

1. Енохович А.С. Справочник по физике и технике. М.: 1989. С. 174.
2. Левитан Е.П. Астрономия: учеб. для общеобразоват. учреждений.– М.: Просвещение, 2006. С. 105.