太陽與影子的關(guān)系演示儀

申明巾 湯巍

科學(xué)課上我們學(xué)習(xí)《太陽與影子》這一課時，老師讓我們到陽光下測量物體影子的長短，觀察影子的方向，并記錄下數(shù)據(jù)，繪制曲線圖，從中發(fā)現(xiàn)太陽與影子長短、方位變化的關(guān)系及其規(guī)律，同時利用這一規(guī)律制作一個太陽鐘。

但是在做這個實(shí)驗(yàn)時，我們發(fā)現(xiàn)了下面幾點(diǎn)不足之處：

1. 觀測對象高低不一，影響數(shù)據(jù)采集。本實(shí)驗(yàn)必須選擇空曠地直立物體的影子作為觀察對象，觀察的物體不統(tǒng)一，不便于測量影子的長短，會直接影響曲線圖的繪制和數(shù)據(jù)的分析。

2. 觀測時間太長，影響學(xué)生學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)中我們需要結(jié)合上下課時間做好定時觀測記錄，觀測時間要持續(xù)一天，而大部分小學(xué)生很難做到定點(diǎn)定時觀測。

3. 戶外天氣變化，影響觀測活動。本實(shí)驗(yàn)容易受天氣因素影響，陰天或下雨天觀測活動就無法進(jìn)行。

4. 觀測主體年齡太小，影響實(shí)驗(yàn)的效果。小學(xué)生的空間思維和想象能力較弱，對太陽在天空中的位置變化及物體影子的大小、方位變化較模糊。

5. 日照下進(jìn)行，耗時長，難度大。在制作太陽鐘時，我們需要在鐘面上標(biāo)出時間刻度，也就是要在陽光下繪出指針的影子，花費(fèi)時間較長，沒有現(xiàn)成的日晷模型可參考，制作難度較大。

針對以上不足之處，我們對本實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行了改進(jìn)。

我們準(zhǔn)備了下面這些材料：LED燈若干個，鐵絲、導(dǎo)線若干根，指南針一個，小開關(guān)1個，滑輪2個，弧形軌道1個，圓形面板兩塊，蓄電池1個。

1. 以直立在木板上的小木棍為統(tǒng)一觀測對象，方便對影子長短、方向進(jìn)行觀測，有利于數(shù)據(jù)的收集和分析。

2.利用LED燈發(fā)光模擬太陽觀察物體的影子，使實(shí)驗(yàn)不受天氣影響。

3.利用不同位置的LED燈發(fā)光模擬太陽在天空中的位置變化，有利于小學(xué)生在短時間內(nèi)觀察到物體影子長短、方位的動態(tài)變化過程。

在使用這一實(shí)驗(yàn)儀器的過程中，我們又發(fā)現(xiàn)了下面幾點(diǎn)不足之處：

1. LED燈過多，容易誤導(dǎo)小學(xué)生，讓他們以為天上有13個太陽。

2. LED燈暴露在外，光線較分散，并且觀測的物體小木棍太細(xì)，使物體的影子成像不夠清晰。

3. LED燈的位置擺放較隨意，不符合自然界中的太陽運(yùn)行軌跡。

4. 此裝置僅能模仿太陽在天空中運(yùn)行的一種軌跡，不能體現(xiàn)四季變化中物體影子的長度、方位變化規(guī)律。

針對第一次改進(jìn)的不足，我們對本實(shí)驗(yàn)裝置又進(jìn)行了第二次改進(jìn)，再次改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1. 將13盞LED燈換成一盞，并且在前端增加了一個燈罩，使光線更加聚集，亮度更大。

2. 設(shè)計了一個圓弧形軌道，讓LED燈沿著軌道滑行運(yùn)動，模擬太陽的東升西落，更加符合自然規(guī)律及小學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。

3. 圓弧形軌道可繞著中間的軸移動位置，從而可以演示春分、夏至、秋分、冬至四個節(jié)氣赤道上空太陽位置的變化規(guī)律，增補(bǔ)了書本上的知識，可拓展學(xué)生的視野。

4. 本實(shí)驗(yàn)裝置器材簡單、造價不高，方便操作，既可以進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)又可以進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和動手能力，值得推廣。

首先在指南針的幫助下確定好東南西北四個方向，擺放好儀器，將電源打開。接著，手動控制LED燈沿著半弧形軌道滑行，借助半弧形軌道上面的點(diǎn)提示太陽運(yùn)行的大致時間是多少，指導(dǎo)同學(xué)們觀察指針的投影方向，測量影子的長短。分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，找到太陽位置變化與物體影子長短、方向變化的規(guī)律。然后觀察日晷模型，了解其結(jié)構(gòu)和測時原理，嘗試制作一個太陽鐘。最后將軌道向左和右各偏一定的角度，分別模擬夏至和冬至赤道上太陽運(yùn)行的軌跡，讓同學(xué)們尋找隨著季節(jié)變化影子的方位和長短的變化規(guī)律。

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置集趣味性、觀賞性、知識性、實(shí)用性于一體。我們還認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計新穎，構(gòu)思巧妙，操作方便，有效地突破了《太陽與影子》這一課的教學(xué)重、難點(diǎn)，有利于激起小學(xué)生的探究欲望，開拓他們的視野，培養(yǎng)他們的宇宙空間想象能力及創(chuàng)新思維。如果LED燈亮度更大些，觀看影子的效果會更好。圓弧形軌道模擬太陽運(yùn)行的軌跡，如果能更精準(zhǔn)些，誤差會更小。

（指導(dǎo)教師 蔣田英 羅意軍 編輯 孫世奇）