太陽視運動觀測儀的制作及其教學(xué)應(yīng)用

福建省廈門市第六中學(xué)（360012） 楊思竅

福建省廈門外國語學(xué)校（361010） 林 華

華東師范大學(xué)地理系（200241） 陳詩吉

太陽視運動觀測儀的制作及其教學(xué)應(yīng)用

福建省廈門市第六中學(xué)（360012） 楊思竅

福建省廈門外國語學(xué)校（361010） 林 華

華東師范大學(xué)地理系（200241） 陳詩吉

地球運動是中學(xué)地理教學(xué)的重點和難點。由于我們生活在地球上，作為地球運動參照物的日月星辰又與地球相距甚遠，因而難以據(jù)此直接觀測地球運動。當前雖然不乏較為準確地表現(xiàn)地球運動的多媒體課件資源，但由于其制作技術(shù)和呈現(xiàn)方式多為二維形式，學(xué)生難以從中獲得三維感受和親身體驗。根據(jù)課程標準所提倡的“學(xué)習(xí)對生活有用的地理”的理念，應(yīng)當為學(xué)生提供與其生活密切相關(guān)的知識，引導(dǎo)學(xué)生在生活中發(fā)現(xiàn)地理問題，關(guān)注學(xué)生的經(jīng)歷與體驗，鼓勵學(xué)生在地理學(xué)習(xí)過程中自主學(xué)習(xí)、合作交流、積極探究。因此，在地球運動的教學(xué)過程中，我們組織學(xué)生以四人小組為單位，觀測并記錄日影的日變化和年變化。在探究活動中，我們鼓勵學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，嘗試解決問題，并指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計制作與之有關(guān)的小發(fā)明。本文介紹的“太陽視運動觀測儀”便是學(xué)生在老師的指導(dǎo)下制作完成的作品。該作品已申請專利。

一、設(shè)計原理

由于地球自轉(zhuǎn)，身處地球上的人們每日能觀察到太陽東升西落的現(xiàn)象。事實上，這并非太陽圍繞地球運動，而是一種相對運動，稱之為太陽視運動。本作品依據(jù)太陽視運動的原理，通過太陽視運動所形成的物體影子長短和方位變化的現(xiàn)象，推斷任意時刻太陽高度和太陽方位（原理如圖1所示），并根據(jù)太陽方位與地方時的關(guān)系（原理如圖2所示），結(jié)合不同緯度、不同日期的太陽方位來確定地方時（原理如圖3所示）。

圖1 太陽高度與立桿影長、太陽方位與立桿影子方位的關(guān)系

圖2 太陽方位與地方時刻度線的關(guān)系（左為天球立體圖，右為地球側(cè)視圖）

圖3 隨觀測緯度變化調(diào)整日晷面角度示意

二、制作過程

1. 材料置備

（1）底座和支架、方位刻度圓環(huán)：PVC材料板、專用膠水、PVC水管、噴漆、水平儀、指南針、螺絲、接線柱；

（2）太陽高度與方位刻度半球：直徑300 mm的不透明乳白色的路燈燈罩；

（3）球帶型日晷面：直徑略小于300 mm的透明的路燈燈罩；

（4）立桿、立桿標識球、日晷面轉(zhuǎn)軸：直徑5 mm的鐵線、直徑8 mm的小球；

（5）貼紙：標有方位、角度的貼紙若干，紅色、粉紅色即時貼紙若干；

（6）工具：記號筆、圓規(guī)、量角器、直尺、曲線鋸子、砂輪、剪子、鉗子等。

2. 加工制作

（1）底座、支架和刻度圓環(huán)：將PVC（厚度6mm）材料切割成260mm×260mm方板用作觀測儀底座；切割一小段直徑為150mm的PVC水管制成觀測儀支架；用強力膠將底座和支架膠合；將PVC材料切割成（內(nèi)徑300mm外徑330mm）方位刻度圓環(huán)；在底座固定三個調(diào)平用的螺絲。

（2）太陽高度與方位刻度半球：用直徑14cm的路燈燈罩切割成半球，將上述方位刻度圓環(huán)膠合于半球的邊緣。

（3）球帶型日晷面：用直徑290mm的路燈燈罩制成球帶狀。

（4）立桿、標識球和日晷面支柱及固定旋鈕：切割一段長度為直徑為5mm，長度160mm的鐵線，將其一端固定于半球的底部中心，在另一端套上直徑8 mm的小球作為立桿的標識球；用接線柱做日晷面支柱及固定旋鈕。

3. 計算定標

（1）太陽高度刻度：用半圓量角器、圓規(guī)繪制等太陽高度線。

（2）太陽方位刻度：在半球邊緣的方位刻度圓環(huán)上用量角器標上方位刻度，并用標有方位和角度的貼紙貼識；用記號筆在半球面上繪制與等太陽高度線垂直的方位刻度線。

（3）地方時刻度線：將紅色貼紙裁成細條，中間線定為12點或0點，按15°/小時的間隔貼在透明的球帶狀日晷面上。

（4）節(jié)氣刻度線：將粉紅色貼紙裁成細條，按一定的間隔垂直于地方時線貼在球帶狀透明日晷面上。其中，中間線是二分日線，以北約16．3°為立冬日和立春日；以北約23．5°為冬至日；二分日線以南約16．3°為立夏日和立秋日；以南約23．5°為夏至日。

（5）緯度刻度：將廣告店制作的半圓型角度貼紙貼在半球型球面東西兩個方位的邊緣。

4. 組裝成品

（1）將半球型日晷面邊緣打兩個孔，將其套在轉(zhuǎn)軸上，并將轉(zhuǎn)軸固定在刻度圓環(huán)的東西兩個方位。

（2）將球帶狀日晷面的12點刻度線切開5 mm寬度，使得立桿可以通過。

（3）將水平儀和指南針分別固定于觀測儀底座上。

根據(jù)以上步驟，即可完成太陽視運動觀測儀的制作，其效果如圖4所示。

圖4 太陽視運動觀測儀（側(cè)視圖）

5. 操作方法

（1）將儀器整體放在空曠的平地，使得太陽光能夠直接照射觀測儀，立桿形成影子。

（2）使用前，通過底座上的水平調(diào)節(jié)螺絲校正儀器，使之保持水平狀態(tài)；使用指南針進行定位，使方位刻度圓環(huán)的黑色標識的“北方”（影子方位）與實際方位的“北方”一致。

（3）調(diào)整球面形日晷帶A的二分日節(jié)氣線與正東或正西方位刻度線的夾角和觀測地點的緯度一致。

（4）觀測立桿標識球影子所對應(yīng)的刻度，便可直接讀出此地此時的太陽方位、太陽高度、地方時和大致的節(jié)氣。

（5）若將該儀器用于南半球的觀測，只需將日晷面放置于北面進行觀測即可。

（6）若觀測時正值夏季或出現(xiàn)極晝現(xiàn)象，只需配合球面形日晷帶B進行觀測讀數(shù)即可。

（7）配合球面形日晷帶B和手電筒（或其他適當光源）可用于演示任意地點、任意日期的太陽視運動軌跡，培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力。

三、效果評價

1. 實地測試

北京時間2011年11月14日上午8:42，將本儀器放置于校園中空曠地（緯度約為24°N）進行實地測試（圖5）。

圖5 校園觀測實踐

根據(jù)緯度調(diào)整球面形日晷帶的二分日節(jié)氣線與正東或正西方位刻度線的夾角為24°。據(jù)標識球的投影坐標可得：

（1）地方時：約8:40。廈門經(jīng)度大約東經(jīng)118°，所測時間應(yīng)大致比時鐘所示的北京時間慢8分鐘，但實測比時鐘慢2分鐘。

（2）節(jié)氣（日期）：立冬（每年的11月7日或8日）后。此日為11月14日，標識球投影落在立冬刻度線與冬至刻度線之間且靠近立冬日刻度線。

（3）太陽高度：約28°。

（4）太陽方位：約南偏東55°。

為了精確讀數(shù)，可以將各刻度線進一步劃分。

2. 實地驗證

（1）地球自轉(zhuǎn)速度、方向

將本儀器放在空曠地，前后間隔2小時，觀測太陽高度與太陽方位，可測出太陽視運動速度和方向，從而推測出地球自轉(zhuǎn)速度和方向。如在8月11日觀測到如下數(shù)據(jù)：

根據(jù)太陽方位可計算出太陽視運動角速度約為每小時13°，從而推算出地球自轉(zhuǎn)角速度大致為每小時13°。太陽視運動方向為自東向西，則地球自轉(zhuǎn)運動方向為自西向東。地球自轉(zhuǎn)角速度的誤差與儀器的刻度、地球自轉(zhuǎn)同時繞日公轉(zhuǎn)、地球并非勻速自轉(zhuǎn)等因素有關(guān)。

（2）正午太陽高度的季節(jié)變化及正午太陽高度公式

將本儀器放在空曠地，在二分二至日的正午，分別測出太陽高度，進行對比，并驗證正午太陽高度的公式。如在二分二至日的正午觀測到如下數(shù)據(jù)：

（3）太陽高度、方位周日變化規(guī)律

將本儀器置于空曠地上，每2小時分別讀出太陽高度、方位，并繪制坐標圖示意太陽高度和方位的周日變化規(guī)律。

（4）太陽周日視運動軌跡

將本儀器置于空曠地上，每2小時觀測并標志小球投影的位置，將投影點連線即為太陽周日視運動軌跡。

（5）不同日期太陽周日視運動軌跡的比較

將二分二至日太陽周日視運動軌跡圖進行比較，發(fā)現(xiàn)四日太陽周日視運動軌跡線平行。

3. 演示不同緯度太陽周日視運動軌跡

在室內(nèi)，調(diào)整球面形日晷帶的二分日節(jié)氣線與正東或正西方位刻度線的夾角，結(jié)合手電筒，即可演示不同緯度地區(qū)不同日期的太陽周日視運動軌跡。

4. 本作品的創(chuàng)新點

（1）將立桿的投影面由水平面改為半球面，立桿的頂端為半球球心，將立桿影子控制在半球內(nèi)，克服立桿測影裝置在太陽高度較小的情況下，影像模糊、讀數(shù)困難的問題。

（2）將球帶式日晷面與太陽高度太陽方位觀測儀巧妙結(jié)合，拓展其使用功能。

（3）既可以用作觀測儀也可以用作演示儀。