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运动太阳视运动仪突破地球运动难点

2019-05-18 15:43阅读：

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运用太阳视运动仪 突破地球运动难点

100028 北京市北京中学 张树宏 汪和平

摘 要：运用太阳视运动仪教学人教版高中地理必修 I第一单元《地球的公转运动及其地理意义》一节内容。在地球空间模型中理解太阳视运动仪原理，认识太阳视运动仪的结构、功能与使用方法，在操作与观察太阳视运动仪的过程中归纳总结不同纬度地区不同季节的日出日落方位、昼夜长短变化，赤道、极点处不同季节的太阳视运动轨迹，不同地区不同季节正午太阳高度角的变化规律。通过太阳视运动仪显示的空间直观培养空间想象能力，突破了教学难点，显示了自制教具独特的生命力，在跨学科教学的实践中做了有益的探索与尝试。
关键词：太阳视运动轨迹；正午太阳高度；昼夜长短；太阳视运动仪

地球公转运动是高中地理必修1的难点内容，尤其是太阳视运动轨迹、正午太阳高度角及昼夜长短的时空变化等内容具有综合性与抽象性特点，需要学生具备较强的时间、空间想象能力，历来是高中地理教学的难点。笔者运用太阳视运动仪，引导学生进行演示、观察、记录、归纳，帮助学生建立时空观念，有效地突破了教学难点，取得了较好的教学效果。相关教学环节与内容如下。
环节一 太阳视运动仪原理解读

图1为地球立体图，标出了赤道，南、北回归线，南、北极圈，以及南、北极点等典型标识。一天中，太阳直射某一条纬线，该日太阳直射点在该纬线上自东向西移动，为太阳运动轨迹。观测地位于地球球面上任意经度与纬度地区。
运动太阳视运动仪突破地球运动难点
图1
由于太阳与地球之间的距离非常遥远，照射地球的太阳光线可以看成是平行光线，所以直射光线与观测地处的太阳光线平行。由于地球半径很大，观测地地平圈可以看成是地球球面的一个切平面，切点就是观测地，过观测地且与过观测地经线圈垂直的直线指示观测地东西方向，也可以认为是与过观测地纬圈相切的直线指示观测地东西方向，所以纬线表示东西方向。经线指示南北方向，观测地经线的切线指示观测地的正南或正北方向。太阳光线与地平圈的夹角即为太阳高度角，太阳光线在地平圈上的正投影与观测地东西方向、南北方向的夹角为太阳方位角。
思考题：什么时候是日出日落时的情形？（答案：当太阳光线与地平圈平行时为日出或日落时分，此时太阳高度角为零度。）
由于太阳光线是平行光线，如果将观测地地平圈平移至地心，得到图1中“过地心与地平圈平行的太阳视运动仪中的地平圈”，由于平行关系，同一时刻太阳光线在两个地平圈中的高度角与方位角相同。平移后过地心的地平圈与赤道的交点分别为正东与正西方向，地平圈转动是绕过正东与正西的轴进行的，在太阳视运动仪中对应时间节气观测地刻度球的转轴，转轴指示正东与正西方向。图1中太阳运动轨迹在过球心的地平圈向观测地一侧的圆弧即为观测地太阳视运动轨迹。太阳视运动轨迹即为太阳运动轨迹在观测地天空中的直观映象。
思考题：将地平圈平移到地心，观测地纬度怎样确定？（答案：与地平圈垂直的半径指示观测地纬度，在太阳视运动仪中，可从地平圈的正上方即天顶处读取观测地纬度。）
由图1知，不同纬度地区太阳视运动轨迹只需将地平圈转动，使其正天顶对应相应纬度即可。由运动的相对性，在太阳视运动仪中，是将地平圈固定，转动太阳运动轨迹所在的球面，即可实现观察不同纬度地区的太阳视运动轨迹。
环节二 认识太阳视运动仪
如图2的太阳视运动仪中间外部圆环和内部固定平面表示观测地地平圈，地平圈上方外面固定半球表示观测地天空，球面上的网格线表示高度与方位，即球面上与地平圈平行的纬线为高度角刻度线，每15度一条，从天顶向四周发散的经线为方位角刻度线，每15度一条，外球正上方表示观测地天顶。中间可以转动的球面上刻有部分太阳运动轨迹线和地方时时间刻度线、观测地纬度刻度，由时间节气观测地刻度球旋钮转动该球，从外球天顶处可以读取观测地纬度刻度。由太阳直射纬度刻度线可以分辨出地球上的节气，太阳直射纬度由仪器左侧太阳直射点调节开关调节。正午地方时为12点，时间节气刻度球上正午12点所在经线标注有观测地纬度指示刻度，刻度范围从南极点到北极点，故时间节气观测地刻度球转动范围是180度，使从南极点到北极点的任意纬度都对可以应天顶。除两极以外，地平圈四周分别有正东、正南、正西、正北四个方向，其中正南与正北方向有方向指示屏。
运动太阳视运动仪突破地球运动难点
图2 太阳视运动仪

环节三 太阳视运动轨迹的观察与归纳
1.不同纬度地区不同季节的日出日落方位
以观测者分别位北纬40度纬线和南纬40度纬线为例，观察记录太阳直射北回归线、北纬20度纬线、赤道、南纬20度纬线、南回归线时两地的日出日落方位角，归纳出全球大部分地区（极昼极夜区以外）日出日落方位的规律。
运动太阳视运动仪突破地球运动难点
图3 观测地为北纬40度

太阳直射
纬度
观测地日出
日落方位角
 直射
北回归线
 直射
北纬20度纬线
 直射
赤道
 直射
南纬20度纬线
 直射
南回归线
北纬40纬线
 日出东偏北
31度
日落西偏北
31度
 日出东偏北
27度
日落西偏北
27度
 日出
正东
日落
正西
 日出东偏南
27度
日落西偏南
27度
 日出东偏南
31度
日落西偏南
31度
南纬40度纬线
 日出东偏北
31度
日落西偏北
31度
 日出东偏北
27度
日落西偏北
27度
 日出
正东
日落
正西
 日出东偏南
27度
日出西偏南
27度
 日出东偏南
31度
日出西偏南
31度
引导学生根据以上观察结果进行规律归纳：太阳直射北半球时，全球大部分地区（极昼极夜区除外）日出东北、日落西北；太阳直射南半球时，全球大部分地区（极昼极夜区除外）日出东南、日落西南。
2.观察赤道上不同季节太阳视运动轨迹规律
运动太阳视运动仪突破地球运动难点
图4 观测地为赤道地区
太阳直射
纬度
赤道日出
日落方位角
 直射
北回归线
 直射
北纬20度纬线
 直射
赤道
 直射
南纬20度纬线
 直射
南回归线
日出日落
方位角
 日出东偏北
23.5 度
日落西偏北
23.5度
 日出东偏北
20 度
日落西偏北
20 度
 日出正东
日落正西
 日出东偏南
20度
日落西偏南
20度
 日出东偏南
23.5度
日落西偏南
23.5 度
太阳视运动轨迹与地平圈位置关系
 垂直
 垂直
 垂直
 垂直
 垂直
引导学生根据以上观察总结出赤道地区太阳视运动轨迹规律：赤道地区太阳视运动轨迹始终与地平圈垂直，即太阳直上直下；赤道地区日出日落方位角始终与太阳直射点纬度相同，即太阳直射北回归线时，赤道地区日出正东、日落正西，直射北回归线时赤道地区日出东偏北23°26′，日落西偏北23°26′。依此类推。
3.北极点的太阳视运动规律
调节观测纬度调节旋钮，将时间节气刻度球上的观测地纬度刻度中的北极点与天顶处观测纬度读取窗中的十字线对准，调节太阳直射点的直射纬度到赤道与北回归线之间，即在北半球夏季，这时从天空中观测到的太阳运动轨迹为北极点夏季的太阳视运动，读取信息如下：指示方向的显示屏均显示南方，太阳始终在天空中转圈，太阳高度角始终保持不变。 同理，可观测到北半球冬季太阳视运动轨迹为：指示方向的显示屏均显示南，四周均为南方，太阳始终在地平圈以下。
运动太阳视运动仪突破地球运动难点
图5 观测地为北极点
引导学生通过以上观察归纳极点地区的太阳视运动轨迹：极点地区太阳视运动轨迹与地平圈平行，其太阳高度角等于太阳直射的纬度。
环节四 正午太阳高度变化规律的观察与归纳
正午太阳高度角的大小影响正午日影长短，并进一步对建筑的楼间距、太阳能热水器安装等人类生产、生活现象产生影响，因此正午太阳高度的变化是中学地理教学的重点之一。正午太阳高度角的变化可从两个维度进行分析：一是某地不同季节正午太阳高度的变化规律，二是某时不同纬度正午太阳高度的变化情况。要理解这两个维度，学生必须能够建立起时间和空间的概念，而仅靠教师的板书和板图很难达成这个目标。利用太阳视运动仪能很好地帮助学生建立时空观念。在太阳视运动仪上将太阳位置调节到节气时间刻度球的正午刻度线上，固定观测地，不断调整太阳直射点纬度，即可读出同一地点不同季节的正午太阳高度。固定太阳直射点纬度，转动观测地旋钮，即可读出某季节地球不同纬度地区正午太阳高度的变化情况。据此引导学生不难得出结论：某地何时距离太阳直射点纬度越近，正午太阳高度越大；某时何地距离太阳直射点纬度越近，其正午太阳高度角越大。即“近大远小”。
运动太阳视运动仪突破地球运动难点
图6
环节五 昼夜长短变化规律
昼夜长短变化规律包括两个维度：一是某地不同季节昼夜长短的变化规律，二是某时不同纬度昼夜长短的变化情况。在太阳视运动仪上，当太阳由夜半球向昼半球移动，经过地平圈时对应的时间经线对应的时刻度为日出时刻；当太阳由昼半球向夜半球移动，经过地平圈时对应的时间经线对应的时间刻度为日落时刻，日落时间与日出时间之差即为昼长。固定观测地纬度不变，调节太阳直射点纬度，观察日出、日落时间的变化，即可发现某地不同季节昼夜长短的变化规律。固定太阳直射点纬度，调节观测地纬度，观察日出、日落时间的变化，即可发现某时地球不同纬度地区昼夜长短的变化规律。据此观察学生不难得出结论：太阳直射哪个半球，该半球就昼长夜短，且纬度越高昼越长；太阳直射点向哪个半球移动，哪个半球的昼就渐长，夜渐短。
现代技术日新月异，教学形式也趋于多样化，然而并不表示传统的教学用具就失去了存在的意义，以上教学难点的突破，如果仅借助五彩缤纷的现代化教学手段，利用多媒体演示，学生即使看的见，却摸不着，只能凭借画面去想象，难以形成空间思维概念。转向使用空间直观教具，更能化抽象为想象，比精美的动画更具有说服力，显示了教具独特的生命力。

参考文献：
[1]汪和平.太阳视运动仪的原理、结构、功能及应用[J].中国教育技术装备,2016(13):44-47;
[2]汪和平.运用天球模型画太阳周日视运动轨迹并研判[J].数学通报,2014(2)58-61;
[3]汪和平.光电浑天仪（ZL201110268052.3）[P].国家知识产权局,2011年9月9日;
[4]汪和平.一种太阳视运动度量与演示方法及其装置(ZL201510051193.8)[P].国家知识产权局，2015年2月2日;
[5]汪和平,吕晨亮.对太阳视运动教学冷遇的反思[J].中学地理教学参考,2017(4):47-48;
[6]吕晨亮,汪和平.太阳直射点纬度移动速度的数学分析与仪器演示[J].地理教学，2018(9）:48-49.
[7]汪和平.多功能太阳视运动仪[J].中国科技教育,2018(7)：30-31.

载于《中学地理教学参考》2019年第4期（上半月）（交流QQ：41794254）

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