析手表辨別方向的原理、方法及影響因素

張 權(quán)

(江蘇省沛縣中學(xué)，江蘇沛縣 221600)

利用手表辨別方向是野外生存實(shí)踐活動(dòng)的一項(xiàng)基本技能，它可以幫助我們提高生存能力和生活技巧。在高中新課程教科書(shū)(魯教版·必修一)中，專(zhuān)門(mén)談及如何利用手表辨別方向這一問(wèn)題。同時(shí)，在2005年江蘇高考試題中也涉及到此類(lèi)問(wèn)題。由此可見(jiàn)，利用手表辨別方向應(yīng)該是每一位高中生需要掌握的一項(xiàng)基本技能。本文就手表辨別方面的原理、方法、影響因素以及誤差產(chǎn)生的原因等一系列問(wèn)題進(jìn)行探討，并通過(guò)圖解的方法對(duì)其進(jìn)行直觀地分析和闡述，以便大家能更好地理解和掌握這項(xiàng)基本生存技能。

一、手表辨別方向的原理和方法

(一)原理

由于地球的自轉(zhuǎn)，太陽(yáng)每天勻速在天空中自東向西運(yùn)動(dòng)(天文學(xué)上稱(chēng)之為“周日視運(yùn)動(dòng)”)，太陽(yáng)在天空中的視運(yùn)動(dòng)速度是每小時(shí)向西運(yùn)動(dòng)15°。在我們看來(lái)，太陽(yáng)周日視運(yùn)軌跡是一個(gè)以觀測(cè)者為中心且平行于天赤道的圓，就好像一個(gè)24時(shí)制的表盤(pán)，它與太陽(yáng)一起構(gòu)成了一個(gè)巨大的“天然時(shí)鐘”，太陽(yáng)所在位置好似鐘表時(shí)針?biāo)傅奈恢谩Ｍ瑫r(shí)，我們規(guī)定太陽(yáng)經(jīng)過(guò)某地上中天(太陽(yáng)周日運(yùn)動(dòng)中，地平高度最大時(shí)的位置)的時(shí)刻為當(dāng)?shù)?2點(diǎn)。此時(shí)，對(duì)于北回歸線以北的地區(qū)來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)應(yīng)在觀測(cè)者的正南方某一高度的天空中。雖然這個(gè)“時(shí)鐘”鐘面在一年中會(huì)隨季節(jié)而南北移動(dòng)，但它的垂線永遠(yuǎn)指向北天極，并且就觀測(cè)者而言，一年中的多數(shù)時(shí)候，鐘面刻度對(duì)應(yīng)的方位變動(dòng)不算太大，只是在低偉度地區(qū)變化比較明顯。例如，在?？?20°N)，夏至日前后一段時(shí)間內(nèi)，12點(diǎn)太陽(yáng)可能出現(xiàn)在北方(天頂以北)，而其他大多日期，它是在南方。我們?cè)诶檬直肀鎰e方向時(shí)，就是將手表時(shí)刻及表盤(pán)刻度與“天然時(shí)鐘”相參照來(lái)確定南方或北方(圖1)。

圖1 手表及表盤(pán)與“天然時(shí)鐘”的參照?qǐng)D

手表可以視為“天然時(shí)鐘”的微縮版。由于時(shí)數(shù)一日是24小時(shí)，如果手表采用也24時(shí)制表盤(pán)計(jì)時(shí)(圖2)，那么在任意時(shí)刻將表盤(pán)與太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)平面重合，并且把手表時(shí)針指向太陽(yáng)，則表盤(pán)上12時(shí)刻度指向即為太陽(yáng)經(jīng)過(guò)上中天時(shí)的方位。對(duì)于我國(guó)絕大部分地區(qū)，它的指向始終是南方。由此可見(jiàn)，我國(guó)大多數(shù)地區(qū)是可以借助手表，根據(jù)太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)軌跡，大致判定方位的。

圖2 24時(shí)制表盤(pán)示意圖

(二)方法

事實(shí)上，在實(shí)際生活中，我們使用的手表基本都采用12時(shí)制表盤(pán)。如何利用12時(shí)制手表辨別方位呢?首先，我們必需明確，太陽(yáng)周日視運(yùn)動(dòng)的角速度是每小時(shí)向西15°，而時(shí)針在表盤(pán)上每小時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為30°。也就是說(shuō)，時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度是太陽(yáng)升落速度的2倍。因此，我們常采用“時(shí)間折半法”或“角平分線法”來(lái)確定方位。

1.“時(shí)間折半法”。

圖3 時(shí)間折半法示意圖

先將手表平置，表面向上，以鐘表時(shí)刻(按24時(shí)制)折半的刻度位置對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，表盤(pán)上“12”刻度的指向即為北方。例如，在某地下午2點(diǎn)(即14點(diǎn))，我們將表盤(pán)上7點(diǎn)刻度對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，則表盤(pán)上12點(diǎn)刻度對(duì)準(zhǔn)的方向即是北方(圖3)。這是因?yàn)?，前面我們提到的“天然時(shí)鐘”的0點(diǎn)位于北方，并且手表時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度是太陽(yáng)升落速度的2倍，于是鐘表時(shí)刻除以2的刻度位置恰好是“天然時(shí)鐘”里太陽(yáng)所處的方位。以此對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，表盤(pán)0刻度(即12時(shí)制鐘表的12點(diǎn)刻度)指向即為北方。該方法可簡(jiǎn)記為:“時(shí)刻折半對(duì)太陽(yáng)，十二指向是北方”。

2.“角平分線法”。

先將手表平置，表面向上，以時(shí)針指向太陽(yáng)，則時(shí)針與表盤(pán)12點(diǎn)刻度的角平線指向?yàn)槟戏?。例如，還是下午2點(diǎn)，以時(shí)針指向太陽(yáng)，時(shí)針與表盤(pán)12點(diǎn)刻度的角平分線即1點(diǎn)刻度所指方向?yàn)槟戏?圖4)。這是因?yàn)?，“天然時(shí)鐘”里的12點(diǎn)位于南方，凡不足12點(diǎn)或超過(guò)12點(diǎn)的時(shí)刻，太陽(yáng)距正午(即南方)的角度是時(shí)針距12點(diǎn)刻度的一半。該方法可簡(jiǎn)記為:“時(shí)針指太陽(yáng)，時(shí)午中間為南方”。

圖4 角平分線示意圖

除以上兩種手表辨別方向的方法外，在野外，我們還可以借用較細(xì)較直的草莖或葉柄等輔助物，并與手表結(jié)合在一起辨別方向。具體方法是:先將手表平置，表面向上，將一根細(xì)直的草莖或葉柄垂直立于表盤(pán)中心，水平轉(zhuǎn)動(dòng)手表，使草莖或葉柄的影子與時(shí)針重合，則時(shí)針與12時(shí)刻度之間的平分線即是北方(圖5)。此方法優(yōu)點(diǎn)是便于與太陽(yáng)相參照。

圖5 借助輔助物辨別方向示意圖

以上幾種辨向方法主要適用于北回歸線以北的地區(qū)，對(duì)于我國(guó)絕大部分地區(qū)來(lái)講，是可行的。而對(duì)于南北回歸線之間的地區(qū)，由于正午太陽(yáng)方位季節(jié)變化明顯，且正午太陽(yáng)高度較大，手表辨向操作性差，易產(chǎn)生較大的誤差甚至錯(cuò)誤，所以以上幾種方法均難以使用。另外，對(duì)于南回歸線以南的地區(qū)，由于太陽(yáng)周日視運(yùn)動(dòng)軌跡也是自東向西，而正午太陽(yáng)卻始終位于觀測(cè)者的北方(天頂以北)，所以相對(duì)于觀測(cè)者而言，太陽(yáng)在天空呈逆時(shí)針升落，這與手表指針順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)恰好相反，因此，以上幾種辨向方法難以使用。

二、影響手表辨別方向的因素

借助手表辨別方向往往要受到天氣狀況、緯度以及鐘表時(shí)間與地方時(shí)之間的差異等因素的影響或制約。

1.天氣狀況。

手表辨別方向的基本原理是借助太陽(yáng)并結(jié)合其視運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行辨別方向，而陰雨天時(shí)太陽(yáng)不可見(jiàn)，無(wú)法將時(shí)針或表盤(pán)某刻度指向太陽(yáng)，也就無(wú)法利用手表辨別方向。

2.緯度。

緯度位置是影響手表辨別方向準(zhǔn)確度及可行性的重要因素。例如，站在極點(diǎn)處周?chē)魏畏较蚨际悄匣虮?，手表辨向不可行。又如，在低緯度熱帶地區(qū)，正午太陽(yáng)幾乎運(yùn)行在天頂附近，且其方位相對(duì)觀測(cè)者而言隨季節(jié)變化明顯。這就造成，一方面很難把手表平置并使時(shí)針或表盤(pán)某一刻度對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，另一方面很可能出現(xiàn)辨別結(jié)果與實(shí)際完全相反的狀況?？梢?jiàn)，就緯度而言，中高緯度地區(qū)是利用手表辨別方向的理想地區(qū)。

3.鐘表時(shí)間與地方時(shí)之間的差異。

利用手表辨別方向還有一個(gè)要求，即手表上的時(shí)間與當(dāng)?shù)氐牡胤綍r(shí)必須大體相符，如果有明顯差異，則需要先換算成當(dāng)?shù)氐牡胤綍r(shí)，再加以辨別。在我國(guó)，由于各地統(tǒng)一使用一個(gè)時(shí)間——北京時(shí)間(即120°E的地方時(shí))，如果當(dāng)?shù)亟?jīng)度與120°E相差較大，則當(dāng)?shù)氐胤綍r(shí)與北京時(shí)間(即手表上的時(shí)間)相差較大，經(jīng)度每相差15°，地方時(shí)就相差1小時(shí)，所以利用手表辨向時(shí)必須考慮這種差異產(chǎn)生的影響。例如，在北京(116°E)，我們看到太陽(yáng)升至上中天的那一刻，手表上的時(shí)間差不多就是12點(diǎn)，而在西藏拉薩(約為90°E)，太陽(yáng)升至上中天時(shí)，手表上的時(shí)間已經(jīng)是下午2點(diǎn)了。如果不做時(shí)間換算，后者定出的南方偏東，北方偏西，偏差可達(dá)近30°。

三、產(chǎn)生誤差的主要原因

如果將表盤(pán)放置于太陽(yáng)周日視運(yùn)動(dòng)面中，并且使表盤(pán)中心與太陽(yáng)周日視運(yùn)動(dòng)圓面中心重合，就能準(zhǔn)確地定出方向。但實(shí)際辨別方向時(shí)，由于不知道北天極的位置，表盤(pán)只能水平放置，這樣就會(huì)與太陽(yáng)周日視運(yùn)動(dòng)面有一個(gè)夾角，而且表盤(pán)中心與太陽(yáng)周日視運(yùn)動(dòng)圓面中心除春、秋分外，并不重合。手表辨向的主要誤差即由這兩方面而產(chǎn)生(圖6)。一般來(lái)說(shuō)，上述夾角越大(即緯度位置越低)，辨向精確度越差。

圖6 手表辨向誤差產(chǎn)生示意圖

在北半球，根據(jù)常用的手表辨向法定出的方位與實(shí)際方位進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1.在大多數(shù)情況下，北半球上午運(yùn)用手表辨向法定出的北方偏西，南方偏東，下午相反，中午12點(diǎn)最準(zhǔn)確。但在北回歸線以南的地區(qū)，夏季通常不可利用手表辨向，尤其是一天中太陽(yáng)高度角較大時(shí)。即使是在太陽(yáng)高度較小時(shí)，也需謹(jǐn)慎辨別。

2.通常是緯度越高，手表定向精度越高(極點(diǎn)附近除外)。

3.太陽(yáng)赤緯越低，定向精度越高。也就是說(shuō)在北半球利用手表辨向，冬季精度最高，春秋次之，夏季最差。但在日出或日落時(shí)刻定方位，春、秋分最為準(zhǔn)確。

［1］金祖夢(mèng)，陳自悟.地球概論［M］.北京:高等教育出版社，1997.

［2］李鑒，劉忠毅.“手表定向”實(shí)踐活動(dòng)設(shè)計(jì)［J］.中學(xué)地理教學(xué)參考，2011，(6).

［3］利用手表辨別方向［J］.福建農(nóng)業(yè)，1996，(1):27.