地表物體日影與太陽(yáng)地平方位變化的判斷

福建 鄭于藝

地表物體日影問題是高中地理學(xué)習(xí)難點(diǎn)之一，近年來在高考中多有涉及。以此為載體可考查多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，如地球上的方向、地球自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)、黃赤交角、正午太陽(yáng)高度和晝夜長(zhǎng)短的變化等，還可檢測(cè)多種地理能力，如地理空間想象能力、地理邏輯能力、地理計(jì)算能力以及實(shí)際應(yīng)用(建筑采光)能力。因此，我們?cè)趥淇贾袘?yīng)對(duì)此進(jìn)行全面分析和把握。

一、洞悉變化規(guī)律

下表示意全球日影和太陽(yáng)方位的時(shí)間和緯度變化規(guī)律。

時(shí)間(緯度)日照?qǐng)D日影方向日變化日影方向、長(zhǎng)度日變化圖太陽(yáng)地平方位日變化圖北半球夏半年直射點(diǎn)以北西南→(順時(shí)針)→東南極晝區(qū)正南→(順時(shí)針)→正南直射點(diǎn)以南西南→正南→東南直射點(diǎn)西南→(日影縮為點(diǎn))→東南北半球冬半年直射點(diǎn)以北西北→正北→東北直射點(diǎn)以南西北→(逆時(shí)針)→東北極晝區(qū)正北→(逆時(shí)針)→正北直射點(diǎn)西北→(日影縮為點(diǎn))→東北

續(xù)表

二、立足基本原理

面對(duì)復(fù)雜問題的時(shí)候應(yīng)立足于基本原理進(jìn)行思考，再將思維延長(zhǎng)和拓深。

1.地表物體日影方向與太陽(yáng)的地平方位相反，而且它的長(zhǎng)度與太陽(yáng)高度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2.地表物體的日影方向就是太陽(yáng)光線的延伸方向，由于太陽(yáng)光線與晨昏線垂直，因此日出、日落時(shí)刻物體日影方向與晨昏線垂直。

3.上表之中包含這樣一個(gè)基本原理：正午，直射點(diǎn)以北日影朝正北，直射點(diǎn)以南日影朝正南(北極點(diǎn)日影朝正南，南極點(diǎn)日影朝正北)，因此，正午時(shí)北回歸線以北日影朝正北，南回歸線以南日影朝正南，南北回歸線之間可南可北(如圖1)。

圖1

三、避開思考誤區(qū)

【誤區(qū)一】以太陽(yáng)直射點(diǎn)代替太陽(yáng)。

錯(cuò)誤示例：如圖2所示，A點(diǎn)為太陽(yáng)直射點(diǎn)，則B點(diǎn)日影朝西北。

圖2

勘誤：由太陽(yáng)光線到達(dá)地面后近似平行光線，再結(jié)合地平方位就可知(西南方)(如圖3所示)。

圖3

【誤區(qū)二】以赤道區(qū)域代替全球或以春、秋分代替任意時(shí)刻。

錯(cuò)誤示例：太陽(yáng)每天都是從正東升起，正西落下，日影則從朝向正西轉(zhuǎn)向到正東。

勘誤：由于太陽(yáng)光線與晨昏線垂直，則晨昏線附近的日影方向垂直于晨昏線，并隨其方向變化而變化。如在北半球(除極晝區(qū))夏半年晨時(shí)日影為西南方向，昏時(shí)為東南方向。春、秋分時(shí)南、北半球(除南北極點(diǎn))及赤道區(qū)晨時(shí)為正西方向，昏時(shí)為正東方向(極點(diǎn)未考慮)。

四、方法講求科學(xué)

1.抓兩點(diǎn)(日出或日落、正午)，看全程(整個(gè)白晝)。

以日出或日落點(diǎn)和正午時(shí)刻為切入點(diǎn)，易于探究日影方向和長(zhǎng)度的日變化以及正午時(shí)刻物體日影的緯度變化。以40°N夏季為例，晨線附近，日影朝向西南方，正午時(shí)刻日影朝向正北方(如圖4)，可知上午日影方向必有某個(gè)時(shí)刻經(jīng)過正西和西北方向，因此上午的日影方向的變化為“西南—正西—西北”直至正北方向。因?yàn)橄挛缥矬w日影變化圖形與上午對(duì)稱，所以可以推測(cè)出全天候物體日影的變化(如表中“北半球夏半年直射點(diǎn)以北地區(qū)”)。

圖4

2.極晝區(qū)看0時(shí)、正午、日影時(shí)針方向。

極晝區(qū)域因?yàn)樘?yáng)整日可見，所以抓住特殊時(shí)間0時(shí)和正午，再判斷日影的時(shí)針方向即可知道全天候物體日影變化。

3.將日影變化與太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)結(jié)合起來思考。

例如，根據(jù)圖5所示的太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)軌跡可知觀察點(diǎn)日影變化狀況，并可進(jìn)一步判斷出觀察點(diǎn)所處的緯度位置在南半球直射點(diǎn)以南；或根據(jù)日影變化狀況，經(jīng)過逆向思維也可判斷出日影所在地的太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)狀況。

由于太陽(yáng)是在一個(gè)三維空間運(yùn)動(dòng)，所以直接判斷其地平方位因空間相對(duì)抽象而難度較大。而物體日影的變化只表現(xiàn)在地表二維空間，思考起來相對(duì)方便，因此可從物體日影變化反向推知太陽(yáng)的地平方位。

圖5

五、典例分析鞏固

【例1】(2016·河北畢業(yè)診斷自測(cè))讀“某地某時(shí)期正午日影長(zhǎng)短和朝向變化示意圖”，回答1，2題。

1.該地可能位于

( )

A.20°N B.20°S

C.30°N D.30°S

2.該地正午日影最短時(shí)，鄭州

( )

A.正午太陽(yáng)高度最大

B.晝夜均分

C.正值高溫多雨的季節(jié)

D.正值寒冷干燥的季節(jié)

【解析】第1題，正午日影與太陽(yáng)的位置背向分布，結(jié)合圖示和太陽(yáng)直射點(diǎn)移動(dòng)規(guī)律可知，太陽(yáng)直射點(diǎn)大部分時(shí)間在該地以北，短時(shí)間在其以南，則該點(diǎn)應(yīng)在北回歸線以南，南回歸線以北，所以排除C、D選項(xiàng)；而日影大部分朝南，20°S符合圖示要求。第2題，該地日影最短時(shí)，太陽(yáng)直射20°S，為北半球冬季，正值寒冷干燥的季節(jié)。

【參考答案】1.B 2.D

【例2】(河北省南宮中學(xué)2016屆高三上學(xué)期第一次月考)如圖7中的工具是北歐的維京人使用的一種航海工具，用來指引航行方向。將木盤置于盛滿水的木桶中，利用木棍影子的變化來確定方向。讀圖并結(jié)合所學(xué)知識(shí)回答3,4題。

圖7

3.夏半年某月，維京人在從歐洲向西南航行的過程中，木棍的正午影長(zhǎng)基本沒有變化。該月份最可能是

( )

A.5月

B.1月

C.7月

D.4月

4.若該月份木棍的正午影長(zhǎng)恰好與凹槽重合，則航線所經(jīng)海域的緯度范圍約為

( )

A.54°N～60°N

B.58°N～66°N

C.63°N～68°N

D.45°N～66°34′N

【解析】第3題，維京人在從歐洲向西南航行的過程中，緯度位置不斷變低，要想保持木棍的正午影長(zhǎng)不變，即正午太陽(yáng)高度大小不變，則太陽(yáng)直射點(diǎn)需向南移動(dòng)，即從北回歸向南移動(dòng)日期應(yīng)在6月22日以后，選項(xiàng)中最符合的為7月。第4題，由“該月份木棍的正午影長(zhǎng)恰好與凹槽重合”可知，航行過程中所經(jīng)地區(qū)的正午太陽(yáng)高度均等于45°；太陽(yáng)直射點(diǎn)的移動(dòng)速度約為7.8°/月，夏至日(6月22日前后)太陽(yáng)直射23°26′N，則7月1日太陽(yáng)直射點(diǎn)大致位于21°N,7月31日太陽(yáng)直射點(diǎn)大致位于13°N；7月1日航行海域的緯度約為66°N,7月31日航行海域的緯度約為58°N。

【參考答案】3.C 4.B

【例3】(作者原創(chuàng)，已被轉(zhuǎn)載)小明在夏季隨旅行團(tuán)前往泰山旅游。讀圖完成5，6題。

5.6月10日旅行團(tuán)抵達(dá)山東泰安市。北京時(shí)間11：00，小明注意到陽(yáng)光恰好從旅行車左前方射入車內(nèi)，判斷此時(shí)旅行車行駛的方向大致為

( )

A.東南

B.西南

C.東北

D.西北

6.“泰山觀日出”氣象萬千，“泰山觀日落”也別有景致。6月12日這天，若小明看到日落時(shí)太陽(yáng)在正西方向，則小明最可能位于下圖中①、②、③、④位置的哪一點(diǎn)？

( )

A.① B.② C.③ D.④

【解析】第5題，此題解題的關(guān)鍵是由時(shí)間推斷太陽(yáng)的地平方位。泰安在北回歸線以北，11∶00時(shí)日影朝西北(接近正北)(與6月10日無關(guān))，反向推知太陽(yáng)方位為東南(接近正南)。然后根據(jù)題中車行方向與陽(yáng)光的角度位置關(guān)系并借助圖解求知車朝西南行駛。

第6題，解題關(guān)鍵之一是要熟悉太陽(yáng)空間位置的日變化規(guī)律。6月12日北回歸線以北地區(qū)太陽(yáng)地平方位日變化的普遍性規(guī)律為：東北→正東→東南→正南→西南→正西→西北(假設(shè)地表平坦)。太陽(yáng)空間位置同時(shí)還要考慮太陽(yáng)高度變化。關(guān)鍵之二是要理解地形對(duì)日出(日落)時(shí)間和觀察的影響。還要判讀等高線以及判定小區(qū)域地圖方向(上北下南、左西右東)。④點(diǎn)在500米到1 000米間，②點(diǎn)大于1000米，地勢(shì)均較高，觀看日落視線不受正向地形阻擋，可看到太陽(yáng)從華北平原地平線上沒落。③點(diǎn)正西地勢(shì)高于1000米，則看到太陽(yáng)沒落在山頭(如圖)，太陽(yáng)高度(h)大于0°，據(jù)h=arctan估算，(日落時(shí)視線和地形的切點(diǎn)與③的相對(duì)高度/日落時(shí)視線和地形的切點(diǎn)與③的水平距離)，故日落時(shí)太陽(yáng)最可能在正西(①點(diǎn)正西無更高地形阻擋而被排除)。

【參考答案】5.B 6.C

【例4】(2018年全國(guó)新課標(biāo)卷Ⅰ)小明同學(xué)7月從重慶出發(fā)到貴州畢節(jié)旅游,收集到的相關(guān)高速公路信息如圖所示。據(jù)此完成第7題。

7.小明若從重慶出發(fā)乘長(zhǎng)途客車經(jīng)遵義至畢節(jié),為免受陽(yáng)光長(zhǎng)時(shí)間照射且能欣賞窗外風(fēng)景,以下出發(fā)時(shí)間和座位較好的是

( )

A.6：00出發(fā),左側(cè)靠窗

B.8：00出發(fā),右側(cè)靠窗

C.10：00出發(fā),左側(cè)靠窗

D.12：00出發(fā),右側(cè)靠窗

【解析】從材料可知，7月該地區(qū)晝長(zhǎng)夜短，太陽(yáng)東北出、西北落，正午太陽(yáng)在正南。結(jié)合圖中里程和平均限速，重慶到遵義段大約行駛3小時(shí)，遵義到畢節(jié)段大約行駛2小時(shí)，全程約5小時(shí)。結(jié)合公路路線，若上午出發(fā)，則重慶到遵義段，陽(yáng)光持續(xù)照射左窗，故排除A、C。若12：00出發(fā)，重慶到遵義段，陽(yáng)光照射右窗，排除D。若8點(diǎn)出發(fā)，右窗全程沒有陽(yáng)光直射，便于觀看風(fēng)景。

【參考答案】7.B

【例5】(河北省定州中學(xué)2016屆高三上學(xué)期第二次月考)下圖顯示的是某樓盤的方位和北京時(shí)間15時(shí)的太陽(yáng)光線，該日南面陽(yáng)臺(tái)太陽(yáng)照射的時(shí)長(zhǎng)為9小時(shí)40分。據(jù)此回答8，9題。

8.該樓盤最可能位于

( )

A.上海

B.北京

C.成都

D.烏魯木齊

9.該地該日晝長(zhǎng)約

( )

A.9小時(shí)40分

B.10小時(shí)40分

C.12小時(shí)40分

D.13小時(shí)40分

【解析】第8題，該地地方時(shí)12點(diǎn)時(shí)，陽(yáng)光從正南方向射向陽(yáng)臺(tái)，12時(shí)的陽(yáng)光與圖示太陽(yáng)光夾角為40°。因太陽(yáng)在天空中自東向西視運(yùn)動(dòng)的速率為15°/小時(shí)，故圖示時(shí)刻該地地方時(shí)應(yīng)為12+2小時(shí)40分=14時(shí)40分。其地方時(shí)與北京時(shí)間相差20分鐘，經(jīng)度相差5°，當(dāng)?shù)亟?jīng)度為120°E-5°=115°E，故B正確。

第5題解法一，假設(shè)日出時(shí)陽(yáng)光正好從東偏南40°方向開始照到陽(yáng)臺(tái)，正午(12時(shí))陽(yáng)光從正南方向照到陽(yáng)臺(tái)，根據(jù)太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)速率為15°/小時(shí)，可知該日上午時(shí)長(zhǎng)為：50°×1小時(shí)/15°=3小時(shí)20分(如圖)，則晝長(zhǎng)為6小時(shí)40分。而該日南面陽(yáng)臺(tái)太陽(yáng)照射的時(shí)長(zhǎng)為9小時(shí)40分，說明早在陽(yáng)光從東偏南40°方向照到陽(yáng)臺(tái)之前就已經(jīng)日出。陽(yáng)光從開始照到陽(yáng)臺(tái)到如圖方向經(jīng)過6小時(shí)(90°×1小時(shí)/15°)，再經(jīng)過3小時(shí)40分后日落，即：14時(shí)40分+3小時(shí)40分=18小時(shí)20分。故此日晝長(zhǎng)應(yīng)為：(18小時(shí)20分-12小時(shí))×2=12小時(shí)40分。

第5題解法二，可以從二分日陽(yáng)光照射情況入手分析。二分日晝長(zhǎng)為12小時(shí)，日出正東，只有太陽(yáng)升到東偏南40°時(shí)，陽(yáng)光才能照到陽(yáng)臺(tái)。也就是日出2小時(shí)40分后，陽(yáng)光開始照射陽(yáng)臺(tái)，直到日落，照射時(shí)間長(zhǎng)為：12小時(shí)-2小時(shí)40分=9小時(shí)20分。該日太陽(yáng)照射了9小時(shí)40分，比二分日長(zhǎng)了20分，說明下午太陽(yáng)照射時(shí)間長(zhǎng)了20分，全天應(yīng)該長(zhǎng)出40分。故此日晝長(zhǎng)應(yīng)為12小時(shí)40分。