關(guān)于地方時(shí)6時(shí)太陽方位的討論

鐘華 汪為青 嚴(yán)佳楠

摘 要：2023年山東高考地理卷的地球運(yùn)動(dòng)試題中關(guān)于太陽正東方位對(duì)應(yīng)時(shí)間的話題引起熱議。本文首先對(duì)該組試題進(jìn)行詳解與評(píng)析，然后對(duì)“地方時(shí)6時(shí)太陽位于正東方位”觀點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)疑、驗(yàn)證，并進(jìn)行原理剖析，總結(jié)出地方時(shí)6時(shí)太陽方位規(guī)律和太陽正東方位的時(shí)間規(guī)律。最后，針對(duì)典型謬誤試題進(jìn)行糾錯(cuò)，并提出了教學(xué)建議。

關(guān)鍵詞：地方時(shí)6時(shí)；太陽方位；地球運(yùn)動(dòng)；高考試題

中圖分類號(hào)：G633.55? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：1005-5207（2024）03-0042-05

一、試題呈現(xiàn)

（2023年山東卷）某文化廣場(chǎng)（37°N，105°E）上的十二生肖石像均勻排列成圓形，生肖鼠位于正北方，小明在圓中心豎立一根細(xì)桿，以觀察太陽周日視運(yùn)動(dòng)變化。圖1示意夏至日兩個(gè)時(shí)刻的桿影指向。據(jù)此完成下題。

1.該地夏至日地方時(shí)16：00時(shí)，桿影指向

A.生肖虎? ? ? ? ? ? B.生肖虎與兔之間

C.生肖兔? ? ? ? ? ? D.生肖兔與龍之間

2.11月至次年2月，一日內(nèi)被桿影指向的生肖石像個(gè)數(shù)最多為

A.5個(gè)? ? ? ? ? ?B.6個(gè)? ? ? ? ? ?C.7個(gè)? ? ? ? ? ?D.8個(gè)

參考答案：1.D? ?2.A

二、試題解讀與評(píng)析

1.試題解讀

第1題，已知信息是北京時(shí)間9：20桿影指向正西，當(dāng)?shù)貫?05°E，換算成地方時(shí)為8：20。下午桿影指向正東時(shí)，是地方時(shí)幾點(diǎn)？可以用對(duì)稱法，日出時(shí)間與日落時(shí)間關(guān)于正午（地方時(shí)12時(shí)）對(duì)稱，桿影指向正西與正東的地方時(shí)也是關(guān)于正午對(duì)稱的，由此可算出桿影正東的地方時(shí)為15：40。20分鐘后的16：00，太陽往西偏北移動(dòng)，桿影應(yīng)向龍的方向（東南方）移動(dòng)，所以地方時(shí)16：00桿影應(yīng)位于生肖兔與龍之間，選D。

第2題，春秋分時(shí)，日出指向正西，日落指向正東，正午指向正北，理論上，一日內(nèi)經(jīng)過7個(gè)石像。對(duì)北半球北回歸線以北地區(qū)而言，桿影一日內(nèi)掃過的角度值，冬至日最小，小于180°；夏至日最大，大于180°。由太陽視運(yùn)動(dòng)的對(duì)稱性原理可知，冬至日日出（落）桿影與夏至日日出（落）桿影關(guān)于正西（東）對(duì)稱，故冬至日日出桿影指向生肖狗，冬至日日落桿影指向生肖虎，冬至當(dāng)天桿影掃過5個(gè)石像。又因11月至次年2月，日出東南，日落西南，桿影無法指向生肖雞和兔，綜上，最多和最少的石像個(gè)數(shù)都是5個(gè)，應(yīng)選A。

2.試題評(píng)析

本組題以文化廣場(chǎng)生肖石像的桿影為情境，以太陽周日視運(yùn)動(dòng)和桿影移動(dòng)為內(nèi)容，考查地球自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)相關(guān)知識(shí)和學(xué)生讀圖能力。第1題以“夏至日北京時(shí)間9：20桿影指向正西”為線索，求地方時(shí)16：00桿影指向，需要學(xué)生進(jìn)行當(dāng)?shù)兀?05°E）地方時(shí)與北京時(shí)間之間的換算，還需要學(xué)生熟練運(yùn)用對(duì)稱法來推理下午太陽位于正西的時(shí)間，從而得出地方時(shí)16：00桿影指向，整個(gè)推理過程要求學(xué)生有一定的邏輯推理能力和扎實(shí)的地球運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)。第2題進(jìn)一步將時(shí)間線外延，不局限于某日，而是11月至次年2月，考查地球公轉(zhuǎn)、太陽直射點(diǎn)移動(dòng)以及對(duì)應(yīng)的桿影移動(dòng)，要求學(xué)生具備不同時(shí)間尺度（日與月）下太陽視運(yùn)動(dòng)、桿影移動(dòng)的空間思維能力。

整組題難度適中，區(qū)分度好，是非常成功的高考地球運(yùn)動(dòng)試題，具有以下特點(diǎn)：①注重生活化的情境構(gòu)建，順應(yīng)了新課標(biāo)［1］的建議。文化廣場(chǎng)的十二生肖石像其實(shí)就是“太陽歷廣場(chǎng)”，具有類似日晷的功能，該題屬生活情境類試題。生活情境類試題一方面使學(xué)生更易、更快進(jìn)入題目營(yíng)造的情境，另一方面也引導(dǎo)學(xué)生在生活中主動(dòng)發(fā)現(xiàn)地理現(xiàn)象，并從地理視角解釋該地理現(xiàn)象。②試題注重考查地理原理與過程。兼顧了地球自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)、時(shí)間換算與空間思維、靜態(tài)桿影與動(dòng)態(tài)桿影，很好地將上述三組概念結(jié)合在一起，有效考查學(xué)生在地球運(yùn)動(dòng)知識(shí)框架下的時(shí)空思維。③命題依據(jù)事實(shí)，科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)。多款軟件可支持本組題的題設(shè)情境與結(jié)論，下文將重點(diǎn)討論“地方時(shí)6時(shí)太陽方位”問題。

三、質(zhì)疑與驗(yàn)證

本組山東高考地理試題公布后，很快有地理教師提出質(zhì)疑：“地方時(shí)6時(shí)太陽應(yīng)該在正東方位，為何題中是地方時(shí)8：20？是不是題目本身有問題？”誠然，很多中學(xué)地理教輔書籍均有“地方時(shí)6時(shí)太陽在正東，18時(shí)太陽在正西”的表述，甚至有教學(xué)論文［2］也有相同的表述，因此，很多地理教師也認(rèn)同這樣的結(jié)論（圖2），因?yàn)樗?jiǎn)單、對(duì)稱，有秩序感，且與“太陽從正東（6時(shí)）到正南（12時(shí)）所花費(fèi)時(shí)間剛好6個(gè)小時(shí)，即90°/6h，15°/h”完美對(duì)應(yīng)。那么，同一地點(diǎn)的任意日期，地方時(shí)6時(shí)太陽到底在不在正東？我們用實(shí)踐觀測(cè)活動(dòng)和軟件模擬的方法來求證。

筆者曾做過桿影觀測(cè)實(shí)踐活動(dòng)，2022年8月8日，筆者在浙江省紹興市上虞區(qū)（30°01′N，120°52′E）做鉛筆桿影觀測(cè)，用指南針和地圖軟件確定基本方位，北京時(shí)間6時(shí)03分29秒（即地方時(shí)6時(shí)）拍攝圖3照片。圖3表明該日地方時(shí)6時(shí)的桿影并非正西，而是西偏南約15°，指示太陽此刻在東偏北15°，實(shí)踐活動(dòng)證明地方時(shí)6時(shí)太陽方位不在正東。

具有高精準(zhǔn)度的天文軟件（網(wǎng)頁）可以有效模擬地球自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)、太陽視運(yùn)動(dòng)，甚至可以達(dá)到比較高的仿真水平，如Stellarium、Sunrisecn（小黃鴨）、香港天文臺(tái)網(wǎng)站等。為方便比較，筆者用上述三個(gè)軟件分別模擬不同日期6時(shí)甲地（37°N，120°E）的太陽方位情況，由于該地經(jīng)度為120°，故地方時(shí)即為區(qū)時(shí)。

圖4為Sunrisecn（小黃鴨）模擬12月22日6時(shí)太陽方位，由于是冬半年，故太陽在地平線以下，由軟件界面可知，6時(shí)太陽方位為東偏南；圖5為Stellarium模擬6月21日6時(shí)太陽方位，圖中顯示太陽在正東的左側(cè)，方位為東偏北；圖6為香港天文臺(tái)［3］模擬8月8日6時(shí)太陽方位，圖中太陽位于東偏北方位。

另外，汪和平［4］、汪冬秀［5］、王若丹［6］、鐘華［7］等人在這個(gè)問題上進(jìn)行過數(shù)學(xué)論證和實(shí)驗(yàn)探索，有詳細(xì)的分析過程，一致支持“地方時(shí)6時(shí)太陽不在正東，18時(shí)不在正西（春秋分除外）”的結(jié)論。綜上所述，根據(jù)桿影觀測(cè)實(shí)踐、軟件驗(yàn)證和查閱論文等步驟，“地方時(shí)6時(shí)太陽方位”疑惑迎刃而解，此次山東卷的地球運(yùn)動(dòng)試題是科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，?duì)過去錯(cuò)誤觀點(diǎn)有撥亂反正的作用。

四、原理剖析

太陽在天空中劃過的軌跡是當(dāng)?shù)貢兓〉耐庋?，其行進(jìn)速度等同于地球自轉(zhuǎn)角速度，這種太陽視運(yùn)動(dòng)隸屬于天球赤道坐標(biāo)系統(tǒng)（圖7）。而太陽的方位角和高度角則隸屬于另一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)——地平坐標(biāo)系統(tǒng)（圖8），赤道坐標(biāo)系統(tǒng)與地平坐標(biāo)系統(tǒng)不能等同。諸多地理教師將太陽的方位變化等同于太陽在天空中的移動(dòng)，這是產(chǎn)生“地方時(shí)6時(shí)太陽在正東”“每小時(shí)太陽方位變化15°”等經(jīng)典謬誤的根源。實(shí)際上，應(yīng)該是太陽在天空中的運(yùn)動(dòng)既導(dǎo)致了太陽的方位變化，也導(dǎo)致了太陽的高度變化，這兩者的變化都是不均勻的。

圖7和圖8中的4個(gè)太陽位置（A、B、C、D）時(shí)間間隔t是相等的，圖8中這4個(gè)位置投影到地平面的方位分別為A′、B′、C′、D′，后者的方位角度間隔（φ、δ、γ）是不相等的，且從φ到γ呈增加趨勢(shì)。圖9為Stellarium模擬7月1日浙江某地地方時(shí)6時(shí)到8時(shí)太陽軌跡圖，是對(duì)圖8進(jìn)行地面觀察視角的轉(zhuǎn)繪，圖中可知6時(shí)—7時(shí)—8時(shí)的時(shí)間間隔為1小時(shí)，角度間隔對(duì)應(yīng)15°，但方位變化角λ1、λ2則遠(yuǎn)小于15°。從日出到日落，太陽的方位變化總是先變快后變慢（南北極點(diǎn)除外），正午附近最快。在北半球夏半年，日出東北方后，要花很長(zhǎng)時(shí)間太陽才會(huì)到正東，地方時(shí)6時(shí)到達(dá)不了正東，圖9顯示地方時(shí)8時(shí)太陽仍在東北方。表1顯示夏至日北半球不同緯度地方時(shí)6時(shí)太陽方位角，由表1可知，越往低緯6時(shí)太陽方位離正東越遠(yuǎn)，越往高緯則接近正東。

對(duì)于同一地點(diǎn)而言，不同季節(jié)（日期）6時(shí)太陽方位也有差異，表2記錄了此地點(diǎn)（10°N，120°E）全年不同日期的太陽方位角。

表2顯示夏至與冬至附近日期的6時(shí)太陽均遠(yuǎn)離90°（正東），而春秋分附近日期則接近正東。若以45°N為例（圖10，Stellarium模擬），全年6時(shí)太陽在東偏北的時(shí)段為3月17日至9月18日附近，在東偏南的時(shí)段為9月18日至3月17日（在地平線以下）。南半球同理，3月17日至9月18日附近，太陽在東偏北，但位于地平線以下，反之則相反。之所以不是以春秋分日為界線，是因?yàn)檫€有真太陽時(shí)與平太陽時(shí)的均時(shí)差存在，但影響不大。

總結(jié)：①北半球夏半年6時(shí)太陽位于東北方，冬半年位于東南方（地下）。南半球夏半年6時(shí)太陽位于東南方，冬半年位于東北方（地下）。②全年太陽在正東的時(shí)間介于0～12時(shí)之間（包含地下），夏半年太陽在正東的時(shí)間介于6～12時(shí)之間。③緯度越低，且太陽直射點(diǎn)越接近回歸線，則太陽在正東的時(shí)間越接近12時(shí)。④赤道至北回歸線區(qū)域，若太陽直射點(diǎn)位于該地以北，則太陽不會(huì)出現(xiàn)在正東，也就沒有正東時(shí)間；同理，赤道至南回歸線區(qū)域，若太陽直射點(diǎn)在該地以南，則太陽也不會(huì)出現(xiàn)在正東。

五、糾錯(cuò)示例

例1.圖11顯示的是某樓盤的方位，某日該樓南面陽臺(tái)太陽照射的時(shí)長(zhǎng)為9小時(shí)40分（無其他物體遮擋）。該地該日晝長(zhǎng)約為

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

參考答案：C

試題解析：根據(jù)題圖作輔助線（圖12），可知太陽光線與南陽臺(tái)平行時(shí)（即剛開始照射南陽臺(tái)時(shí)）太陽方位為東偏南40°。由于太陽在正東時(shí)地方時(shí)為6時(shí)，太陽從正東到東偏南40°耗時(shí)2小時(shí)40分（地球自轉(zhuǎn)速度為15°/h），所以太陽剛照射南陽臺(tái)時(shí)間為地方時(shí)8時(shí)40分，又因?yàn)槟详柵_(tái)總照射時(shí)長(zhǎng)為9小時(shí)40分，故日落時(shí)間為8時(shí)40分+9小時(shí)40分=18時(shí)20分，則下午時(shí)長(zhǎng)為18：20-12：00=6小時(shí)20分，則晝長(zhǎng)為6小時(shí)20分×2=12小時(shí)40分，故選C。

糾錯(cuò)：此題在設(shè)定上有三重錯(cuò)誤。其一，太陽在正東方位的時(shí)間默認(rèn)為6時(shí)，這是中學(xué)地理師生最易犯的錯(cuò)誤，事實(shí)上太陽在正東的時(shí)間因緯度、日期而變化；其二，太陽由正東運(yùn)行到東偏南耗時(shí)2小時(shí)40分是根據(jù)太陽方位變化40°推導(dǎo)出來的，事實(shí)上太陽方位變化速度不是定值，不等同于太陽軌跡角度變化速度（即地球自轉(zhuǎn)角速度）；其三，日落時(shí)間也不能直接由兩個(gè)時(shí)間相加得到，因?yàn)樘柡芸赡茉谖髌?0°以北落山，也就是日落方位也是未知的，不能推導(dǎo)出日落時(shí)間。由此，本題在多項(xiàng)地球運(yùn)動(dòng)原理上均踩雷，是一道無解之題。

例2. 圖13為安徽平原地區(qū)某中學(xué)的操場(chǎng)和行道樹示意圖 （晴天 8： 00 前后，東操場(chǎng)大部分被行道樹的樹蔭覆蓋）。為充分利用樹蔭遮陽，6 月某日 16：00至16：45 該校某班同學(xué)上體育課的最佳場(chǎng)地是

A. ①? ? ? ? ?B. ②? ? ? ? ? C. ③? ? ? ? ?D. ④

參考答案：A

試題解析：6月的安徽，太陽東北升、西北落，太陽正東時(shí)間為地方時(shí)6時(shí)，太陽正西時(shí)間為18時(shí)，由于安徽在120°E附近，故地方時(shí)與北京時(shí)間近似。下午16： 00至16： 45還未到18時(shí)，故太陽仍在西南方，行道樹影子朝向東北，①場(chǎng)地的遮陰面積更大，故選A。

糾錯(cuò)：此題同樣犯了“地方時(shí)18時(shí)太陽在正西”的經(jīng)典謬誤，經(jīng)軟件模擬，以合肥為例，6月1日太陽位于正西的時(shí)間為15：29，6月22日至30日為15：18附近，由此可知16：00至16：45時(shí)間段太陽位于西偏北，與題目預(yù)設(shè)相左。

六、教學(xué)建議

中學(xué)地理界各類輔導(dǎo)資料、模擬試題仍以“地方時(shí)6時(shí)太陽在正東，18時(shí)太陽在正西”作為命題思路和解題的隱含條件，且諸多地理教師也以此作為地球運(yùn)動(dòng)的“規(guī)律”，在新課講授和習(xí)題講解中對(duì)學(xué)生進(jìn)行灌輸，求精簡(jiǎn)而罔顧科學(xué)與事實(shí)。在大力倡導(dǎo)新課標(biāo)理念、大力推行新課程教學(xué)的今天，在各類精準(zhǔn)天文軟件涌現(xiàn)的新形勢(shì)下，上述現(xiàn)象依然存在是令人遺憾的。這是不少地理教師對(duì)大學(xué)基礎(chǔ)課程“地球概論”天球系統(tǒng)理論的遺忘所留下的“后遺癥”。針對(duì)以上情況，筆者提出以下幾點(diǎn)建議。

1.夯實(shí)地球運(yùn)動(dòng)理論基礎(chǔ)

地球運(yùn)動(dòng)錯(cuò)題的出現(xiàn)和流行，主要原因是諸多地理教師對(duì)地球運(yùn)動(dòng)知識(shí)掌握不系統(tǒng)，思維建構(gòu)零散，很容易“想當(dāng)然”。故地理教師需要再次審視自己在地球運(yùn)動(dòng)章節(jié)的理解程度，按情況彌補(bǔ)不足，途徑有很多，如再次深入學(xué)習(xí)“地球概論”課程，借助網(wǎng)絡(luò)視頻學(xué)習(xí)和向同行專家請(qǐng)教等。只有具備較高的地球運(yùn)動(dòng)理論水平，才能自信從容地進(jìn)行地球運(yùn)動(dòng)教學(xué)，解答相關(guān)試題時(shí)方能做到游刃有余。

2.敢于質(zhì)疑試題的科學(xué)性

中學(xué)地理關(guān)于地球運(yùn)動(dòng)的試題良莠不齊，地理教師要善于發(fā)現(xiàn)試題中的錯(cuò)誤、瑕疵，敢于質(zhì)疑試題的科學(xué)性，而不是為了維護(hù)參考答案而打圓場(chǎng)、硬解釋。同時(shí)，也鼓勵(lì)學(xué)生質(zhì)疑試題，培養(yǎng)他們的辯證思維和求真務(wù)實(shí)的科學(xué)精神。質(zhì)疑是鉆研的開端，是走向進(jìn)步的第一步，也是教師成長(zhǎng)的必經(jīng)之路。

3.多渠道驗(yàn)證答案的正誤

產(chǎn)生質(zhì)疑之后，就應(yīng)想方設(shè)法對(duì)答案與猜想加以驗(yàn)證，如設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、操作軟件模擬、查詢權(quán)威著作和專業(yè)論文，方案和途徑越多越有說服力，最后在比較中得出結(jié)論，形成“質(zhì)疑—驗(yàn)證—解疑”的閉環(huán)。同時(shí)，在上述驗(yàn)證過程中也能不斷積累疑難問題的研究范式，提高教師自身教研水平；當(dāng)然也應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生參與其中，可通過設(shè)計(jì)有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證事實(shí)，提升學(xué)生的地理實(shí)踐力。

4.做正確理論的推廣者

經(jīng)過多渠道驗(yàn)證的正確結(jié)論、理論應(yīng)當(dāng)?shù)玫酵茝V，如“太陽直射點(diǎn)緯向移動(dòng)速度不均勻”“太陽的方位變化速度差異巨大，不是15°/h”等。一線地理教師應(yīng)抵制“謬誤”試題，自行命題時(shí)也要進(jìn)行細(xì)致的模擬驗(yàn)證，力求精準(zhǔn)，不要“想當(dāng)然”捏造偽命題、假情境，積極做正確理論的推廣者，為地理教學(xué)的科學(xué)性添磚加瓦。

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