正午太陽高度角紙制學(xué)具設(shè)計(jì)與制作

劉勝楠 張旺 楊舒文 張宏波

摘要：本論文介紹了正午太陽高度角紙制學(xué)具的設(shè)計(jì)與制作步驟。首先，通過太陽高度角原理分析設(shè)計(jì)構(gòu)思正午太陽高度角紙制學(xué)具；然后利用正午太陽高度角紙制學(xué)具材料進(jìn)行制作，最后進(jìn)行組裝與操作。這樣的設(shè)計(jì)與制作流程為中學(xué)地理課堂紙制學(xué)具設(shè)計(jì)與制作提供參考。

關(guān)鍵詞：紙制學(xué)具 正午太陽高度角 設(shè)計(jì) 制作

一、紙制學(xué)具的內(nèi)涵及特點(diǎn)

學(xué)具是知識的載體，所謂紙制學(xué)具就是供學(xué)生在課堂上按照教學(xué)要求進(jìn)行動(dòng)手加工組裝或操作的基本紙質(zhì)材料和學(xué)習(xí)工具。紙制學(xué)具具有啟發(fā)性、趣味性、直觀性、科學(xué)性、簡易性、靈活性等特點(diǎn)。

二、正午太陽高度角紙制學(xué)具的設(shè)計(jì)與制作步驟

（1）正午太陽高度紙制學(xué)具設(shè)計(jì)構(gòu)思

根據(jù)正午太陽高度角的含義，我們可以設(shè)想用圓形硬紙板和硬紙板做的長條指針來表示這個(gè)角。我們可以裁出一個(gè)圓形硬紙板作為地球的縱切面，其圓心為地心，圓形硬紙板的圓弧為地面，我們裁出一個(gè)硬紙板做的長條指針為正午直射點(diǎn)太陽光線，將指針的一端固定于圓心，設(shè)想指向圓形硬紙板外的另一端的端點(diǎn)為太陽，指針與圓弧切線形成的夾角為太陽直射點(diǎn)的正午太陽高度角。

為表示同一時(shí)間其他緯度的正午太陽高度角，我們設(shè)想在地表設(shè)一個(gè)可移動(dòng)的觀察者，用硬紙板做一個(gè)長條，長條一端固定于圓形硬紙板的圓心，另一端設(shè)為箭頭在地表移動(dòng)，箭頭頂端對應(yīng)緯度為觀察者緯度，此處觀察太陽的仰角為正午太陽高度角，即觀察者所在緯度地面切線與太陽光線形成的夾角為觀察者所在緯度的正午太陽高度角。

為表示正午太陽高度角的年變化，我們可以在南北回歸線之間撥動(dòng)一端為“太陽”的長條指針來演示太陽直射點(diǎn)的移動(dòng)，撥動(dòng)一端為“觀察者”的長條硬紙板來分析其他緯度正午太陽高度角的變化，并以此來比較正午太陽高度角的年變化。

為表示極晝極夜，裁出一塊與硬紙板直徑相同的黑色半圓紙板，設(shè)定其為夜半球；為表現(xiàn)晝夜變化與太陽直射點(diǎn)的關(guān)系，我們可以將帶有“太陽”的長條指針與黑色半圓紙板相連，固定于圓心，撥動(dòng)“太陽”的同時(shí)，“夜半球”范圍也隨著移動(dòng)。

（2）正午太陽高度角紙制學(xué)具的制作過程

首先，把硬紙板裁剪出一個(gè)直徑為20cm的圓形硬紙板，在紙板的中心按照“上北下南”畫出方向標(biāo)。再在圓形板中間畫出赤道，在距離赤道南北兩側(cè)3cm處分別畫出南、北回歸線；在距離赤道南北兩側(cè)7cm處分別畫出南、北極圈線，在距離赤道南北兩側(cè)10cm處分別標(biāo)出南北極。再用小刀在圓形硬紙板的圓心挖一個(gè)小孔。

再取一張硬紙板，在紙板上畫出如下圖形并裁剪，其中左邊半圓部分直徑也為20cm，右邊長條指針部分長度為25cm，寬度為5mm；在長條指針的右端剪一個(gè)小圓形設(shè)為太陽，并在長條指針上畫一個(gè)箭頭，箭頭自右向左，箭頭端點(diǎn)落在長條指針自左向右的10cm處，箭頭端點(diǎn)表示直射點(diǎn)緯度。另在圓心處用小刀挖一小孔，在半圓上標(biāo)號重要緯線圈。（圖1）

三、正午太陽高度角紙制學(xué)具的操作與反思

（1）正午太陽高度角與直射點(diǎn)緯度關(guān)系

將帶有“太陽”長條指針為太陽直射光線，指針上的箭頭所指緯度為太陽直射點(diǎn)，太陽直射點(diǎn)的正午太陽高度角為90度，指針在南北回歸線間移動(dòng)。撥動(dòng)圓形硬紙板下的帶有 “觀察者”及“觀察者”所在緯度地面切線的箭頭，“觀察者”觀察太陽的仰角為當(dāng)?shù)卣缣柛叨冉恰?/p>

太陽直射赤道時(shí)，即指針箭頭指向赤道，赤道上的正午太陽高度角為90度。撥動(dòng)帶有“觀察者”的箭頭，使“觀察者”在不同緯度觀察太陽，分析其它緯度正午太陽高度角的變化，我們可以發(fā)現(xiàn)，南北半球相同緯度地區(qū)正午太陽高度角相同；不同緯度地區(qū)緯度越高正午太陽高度角越小。同理還可演示太陽直射南北回歸線之間任意一點(diǎn)的直射點(diǎn)與其他觀察點(diǎn)的正午太陽高度角的比較，因此得出，同一時(shí)刻，正午太陽高度角由直射點(diǎn)向南北兩極遞減的規(guī)律。

為演示正午太陽高度角的年變化，以長春所在緯度北緯43度為例，將帶有“觀察者”的箭頭撥到北緯43度。撥動(dòng)帶有“太陽”的指針，演示太陽直射點(diǎn)在南北回歸線之間移動(dòng)。當(dāng)太陽直射點(diǎn)由赤道向北移動(dòng)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)北緯43度的正午太陽高度角不斷增大，當(dāng)太陽直射點(diǎn)在北回歸線上時(shí)，達(dá)到最大值。同理，使帶有“太陽”的指針由北回歸線向南回歸線之間移動(dòng)，此時(shí)，北緯43度的正午太陽高度角不斷減小，當(dāng)直射點(diǎn)位于南回歸線時(shí)，即冬至日時(shí)，北緯43度的正午太陽高度角達(dá)到一年中的最小值。

同理，通過正午太陽高度角紙制學(xué)具，我們還可以分別演示二分二至?xí)r任意緯度的正午太陽高度角。

（2）正午太陽高度角與極晝極夜現(xiàn)象

將畫有陰影部分的半圓紙板固定在圓形紙板之上，半圓紙板遮住的部分為夜，未遮住的部分為晝。半圓紙板會(huì)隨著帶有“太陽”的指針的移動(dòng)而移動(dòng)。當(dāng)太陽直射點(diǎn)位于赤道時(shí)，半圓紙板遮住圓形硬紙板的左半部分，此時(shí)，全球晝夜平分。當(dāng)太陽直射點(diǎn)北移時(shí)，半圓紙板覆蓋的南極圈范圍增大，北極圈覆蓋部分減少，因此北半球出現(xiàn)極晝現(xiàn)象，南半球出現(xiàn)極夜現(xiàn)象。在此期間，全球晝夜長短也發(fā)生了變化，北半球各緯度晝長大于夜長，且緯度越高，晝越長，夜越短。當(dāng)太陽直射點(diǎn)位于北回歸線上，此時(shí)為夏至日，北半球的晝最長，夜最短，北極圈以北到處都是極晝現(xiàn)象。南半球正好相反。

同理，也可演示太陽直射點(diǎn)在赤道與南回歸線之間移動(dòng)時(shí)南北半球極晝極夜現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳月靜.簡論地理學(xué)具在地理教學(xué)中的運(yùn)用[J].才智，2009.

[2] 楊長青；李華；徐寶秀.“正午太陽高度角模型”的設(shè)計(jì)、制作與運(yùn)用[J].中學(xué)地理教學(xué)參考，2011.

[3]李孝敬.新課標(biāo)下地理傳統(tǒng)教具的重新定位[J].考試周刊，2014.

[4] 潘德順；李長周.談簡易學(xué)具的制作方法[J].華人時(shí)刊（校長），2016.

（作者單位：長春師范大學(xué) 城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院）