太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)易模型制作及應(yīng)用

張明強(qiáng) 程琦 王娟

摘 ?要 ?地球的運(yùn)動(dòng)屬于中學(xué)地理新教材“選擇性必修1”的第一單元內(nèi)容，既是難點(diǎn)也是重點(diǎn)，要求學(xué)生具備較強(qiáng)的時(shí)空想象和計(jì)算能力。在本單元教學(xué)過(guò)程中，筆者嘗試指導(dǎo)學(xué)生制作太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)易模型，把生活中的現(xiàn)象通過(guò)模型生動(dòng)呈現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生觀察、記錄、分析，并在此過(guò)程中幫助學(xué)生提高動(dòng)手能力，加深對(duì)地球運(yùn)動(dòng)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解。

關(guān)鍵詞 ?太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)；正午太陽(yáng)高度；太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)易

模型

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.55 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2023）05-0052-04

1 ?太陽(yáng)周日視運(yùn)動(dòng)軌跡分析

地球自西向東的自轉(zhuǎn)過(guò)程中，如圖1所示，對(duì)地球上的觀測(cè)者而言，地外的天體日月星辰都以相反的方向和相同的周期旋轉(zhuǎn)，其中最典型的就是太陽(yáng)的周日視運(yùn)動(dòng)。圖1中線a、b、c分別是夏至日、春秋分日、冬至日太陽(yáng)直射點(diǎn)軌跡在地心天球上的投影[1]。

如果以北溫帶上的觀測(cè)者A點(diǎn)為中心建立天球，如圖2所示，觀測(cè)者正上方為天頂B。以所在地平圈CAD為切平面，把天球分為日半球和夜半球。線a、b、c被分割為白天和夜晚部分，白天部分就是在A點(diǎn)觀察到的太陽(yáng)周日視運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖3是為了符合認(rèn)知習(xí)慣，把圖2旋轉(zhuǎn)，地平圈呈現(xiàn)水平姿態(tài)，天頂處于正上方。圖4把太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)軌跡轉(zhuǎn)換為立體圖，圖中能清晰觀察到分為上下半天的運(yùn)動(dòng)軌跡、日出日落方位，以及不同季節(jié)太陽(yáng)軌跡的變化[2]。

2 ?太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)易模型制作

2.1 ?設(shè)計(jì)原理

用透明塑料球模擬天球、移動(dòng)燈帶模擬太陽(yáng)移動(dòng)軌跡、白色塑料板模擬地平圈，利用塑料球內(nèi)的水面自動(dòng)找平原理，快速顯示任意緯度的二分二至日太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)軌跡，并觀測(cè)太陽(yáng)高度、方位和晝長(zhǎng)。

2.2 ?材料準(zhǔn)備

兩個(gè)直徑30 cm透明硬質(zhì)塑料半球、長(zhǎng)300 cm移動(dòng)式燈帶、3個(gè)燈帶速度調(diào)節(jié)器、白色塑料板、長(zhǎng)100 cm柔性圓管、膠水、貼紙、約7升淡水、墨水、小型人偶，以及圓規(guī)、量角器、軟尺、剪刀、馬克筆等若干工具。

2.3 ?加工制作

1）地平圈：把白色塑料板剪成直徑29 cm的圓形，在圓形邊緣用量角器標(biāo)記方位刻度，粘貼帶有方位的貼紙，然后在南、北兩個(gè)方位位置穿孔，孔徑比柔性圓管直徑稍微大一些，地平圈需要制作兩個(gè)，分別模擬以南、北半球觀測(cè)者為中心的地

平圈。

2）觀測(cè)者：在地平圈圓心位置粘貼小型人偶，將人偶分別指向地平圈的南北方向，指向正南的為北半球觀測(cè)者，指向正北的為南半球觀測(cè)者。

3）天球：垂直于塑料半球邊緣，用馬克筆在半球外殼畫(huà)一大圓，在圓線上用量角器和圓規(guī)標(biāo)記太陽(yáng)高度并粘貼度數(shù)貼紙，把柔性圓管沿著大圓線粘貼在半球內(nèi)面，兩個(gè)半球都做相同處理。

4）夜半球：用約7升淡水盛滿(mǎn)半球，然后滴入若干墨汁。

5）太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)軌跡：用燈帶分別環(huán)繞塑料半球的赤道位置、緯度23.5°位置，用剪刀截取一圈的長(zhǎng)度，獲得一長(zhǎng)兩短三條燈帶。連接電源與速度調(diào)節(jié)器，三條燈帶都設(shè)置為燈光依次閃亮，以24秒為周期。

2.4 ?組裝成品

1）把兩個(gè)地平圈如圖5擺放，以接觸點(diǎn)為中心，翻轉(zhuǎn)后將背面黏合在一起，并要注意兩個(gè)地平圈的南北方位穿孔要完全吻合。

2）將滴入墨汁的淡水緩慢加入半球，直至漂浮在上面的白色塑料板正好與半球邊緣齊平，白色塑料板在放置的時(shí)候，南、北兩個(gè)方位的穿孔要套在柔性圓管上，如圖6所示。

3）將另一個(gè)塑料半球合在夜半球上面，組成一個(gè)完整的球體，用膠水密封。

4）將三條燈帶分別粘貼在球體的赤道位置、南北緯度23.5°位置，如圖7所示，為了方便測(cè)量計(jì)算，燈帶起始位置都處于夜半球的子夜位置，三條燈帶和速度調(diào)節(jié)器以并聯(lián)方式聯(lián)結(jié)，方便各自調(diào)節(jié)閃亮速度。

5）轉(zhuǎn)動(dòng)球體，觀察三條燈帶是否平行于地表，并在球體最上方粘貼北天極標(biāo)識(shí)。

根據(jù)以上步驟，即可完成太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)易模型的制作，整體效果如圖8所示。

2.5 ?操作方法

1）接上電源，三條燈帶閃亮，將模型豎直放置，北天極處于正上方。

2）如果要測(cè)量北半球緯度為n的地區(qū)二分二至日太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)軌跡，依據(jù)高度刻度線，把模型向著正北方向順時(shí)針傾斜（90-n）度。

3）地平圈平穩(wěn)后，依據(jù)燈帶與太陽(yáng)方位刻度線、高度刻度線的交點(diǎn)數(shù)值，讀出二分二至日的日出日落方位，以及正午太陽(yáng)高度。

4）燈帶依次亮起的周期設(shè)定為24秒，相當(dāng)于太陽(yáng)在周日視運(yùn)動(dòng)軌跡中，隔一小時(shí)改變一次位置，結(jié)合刻度可以估計(jì)二分二至日整時(shí)的太陽(yáng)高度和

方位。

5）如果要觀測(cè)南半球某地的二分二至日太陽(yáng)軌跡，只需把模型倒轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，北天極處于正下方，墨水通過(guò)地平圈與天球間的空隙流入另一半球，等墨水轉(zhuǎn)換半球完畢且地平圈穩(wěn)定后，操作觀測(cè)方法同北半球。

3 ?實(shí)地應(yīng)用與測(cè)試

3.1 ?引導(dǎo)學(xué)生對(duì)模型進(jìn)行操作和觀察

1）操作模型順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的過(guò)程，相當(dāng)于北半球觀測(cè)者不斷從高緯向低緯移動(dòng)，以夏至日燈帶為例，太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)軌跡從與地平圈平行到相切、相交，最后與地平圈垂直，晝長(zhǎng)時(shí)間從極晝縮小到12小時(shí)。正午太陽(yáng)高度先變大再變小，北回歸線地區(qū)達(dá)到90°，日出日落方位大致由北向南移動(dòng)。

2）當(dāng)觀察者正好位于北極點(diǎn)時(shí)，模型豎直放置，三條燈帶平行于地平圈，表明極點(diǎn)位置太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)軌跡都與地平圈平行，春秋分日太陽(yáng)環(huán)繞地平圈一周，夏至日太陽(yáng)也始終在天空中轉(zhuǎn)圈且保持高度角不變。冬至日太陽(yáng)在地平面以下轉(zhuǎn)圈，北極地區(qū)出現(xiàn)極夜[3]。

3）當(dāng)觀察者位于赤道地區(qū)時(shí)，模型橫放，三條燈帶垂直于地平圈，學(xué)生總結(jié)規(guī)律如表1所示。

4）筆者所在學(xué)校位于安徽淮北地區(qū)，其經(jīng)緯度坐標(biāo)為（33°N，116°E），引導(dǎo)學(xué)生以本地作為北溫帶代表進(jìn)行觀測(cè)，并把測(cè)量值與理論值相比較，驗(yàn)證模型的精確度，如表2所示。模型中燈帶依次亮起可以模擬一天中太陽(yáng)位置的變換，以夏至日為例，觀測(cè)內(nèi)容如表3所示。

3.2 ?總結(jié)規(guī)律

從表中數(shù)據(jù)可以獲悉，對(duì)于北溫帶地區(qū)來(lái)說(shuō)，從夏至日經(jīng)秋分日到冬至日，隨著太陽(yáng)直射點(diǎn)不斷向南移動(dòng)，晝長(zhǎng)時(shí)間縮短，日出、日落方位逐漸向南移動(dòng)，正午太陽(yáng)高度越來(lái)越小，每天的日出偏角等于日落偏角，且太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)軌跡以正午時(shí)間為界，以南北方向?yàn)檩S作對(duì)稱(chēng)分布[4]。

模型倒轉(zhuǎn)可以觀測(cè)南半球各地的太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)軌跡，從全球范圍來(lái)看，除極晝極夜區(qū)，夏至日各地都是日出東北、日落西北，北半球太陽(yáng)軌跡長(zhǎng)于南半球，正午太陽(yáng)高度大于南半球，冬至日各地都是日出東南、日落西南，北半球太陽(yáng)軌跡短于南半球，正午太陽(yáng)高度小于南半球。

4 ?模型評(píng)價(jià)

4.1 ?優(yōu)點(diǎn)

1）材料簡(jiǎn)單，筆者在制作模型的過(guò)程中，除了燈帶和速度調(diào)節(jié)器來(lái)自網(wǎng)購(gòu)，其他材料都來(lái)自身邊普通物品，有利于模型的推廣和方便學(xué)生自己動(dòng)手制作。

2）本模型形象直觀生動(dòng)，“天球”“地平圈”

“觀察者”“太陽(yáng)軌跡”的表達(dá)一目了然，方便學(xué)生理解。

3）模型的構(gòu)思是筆者在這部分知識(shí)的教學(xué)過(guò)程中逐漸形成的，模型的不同部位基于不同的知識(shí)點(diǎn)，有利于教師由淺入深地分段教學(xué)。

4）操作方便，由于水面的自動(dòng)找平原理，模型不需要根據(jù)觀測(cè)位置的不同反復(fù)調(diào)節(jié)，這是本模型表現(xiàn)最優(yōu)秀的地方。

4.2 ?缺陷與改進(jìn)建議

1）模型簡(jiǎn)單易操作的缺陷就是容易產(chǎn)生誤差。一是球體形狀不穩(wěn)定，學(xué)生手扶模型長(zhǎng)時(shí)間讀數(shù)過(guò)程中，手的不穩(wěn)定使讀數(shù)發(fā)生偏差。二是燈帶存在一定的寬度，給讀數(shù)造成困難。

后期可以制作一個(gè)槽型底座，模型在調(diào)整后再小心放入底座，加強(qiáng)其穩(wěn)定性。在燈帶的中央位置畫(huà)一條細(xì)線，作為讀數(shù)的參考線，可以把誤差控制在合理范圍內(nèi)。

2）觀測(cè)時(shí)間受限，只能觀測(cè)二分二至日的太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)軌跡。

依據(jù)太陽(yáng)直射點(diǎn)的緯度變化速度，計(jì)算得出非二分二至日的太陽(yáng)直射點(diǎn)位置，用馬克筆在模型外殼增畫(huà)一條太陽(yáng)軌跡線，可以解決觀測(cè)時(shí)間受限

問(wèn)題。

5 ?參考文獻(xiàn)

[1] 張樹(shù)宏，汪和平.運(yùn)用太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)儀 ?突破地球運(yùn)動(dòng)難

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