地球運動演示儀的制作和教學應用

福建省大田縣第一中學（366100）林啟福

地球運動及其地理意義的內容是中學地理教學的重點和難點，絕大多數學生由于缺乏必要的空間想象能力而感到很抽象并且難以理解，而單純的利用地球儀進行演示又遠遠不能解決問題。為此結合教學實踐設計了制作簡便、功能強大、演示直觀的教學演示儀器和學生學習用具，可以演示教材中所要求的地球運動的絕大部分內容，是對現有教學儀器的高度綜合和平面簡化，極大增強教師教學的直觀性，提高學生學習的時效性。

一、演示儀的制作

1.演示儀

演示儀是由含有量角器的“固定尺”（有兩個用于固定的固定孔）和“轉動尺”（有兩個用于放置各種演示盤的固定軸）構成。其結構見示意圖（如圖1）。

圖1

（1）制作材料

一個量角器，兩把透明直尺，三枚圖釘。

（2）制作方法

①固定尺：將量角器用502膠固定在一把直尺上，并用錐子在量角器中心處和尺子兩端鉆孔，中間的孔用于與“轉動尺”相連，兩端的孔用作固定演示儀。

②轉動尺：在另一直尺的中間用錐子劃上一條線并涂上顏色，作為中心線；將其中一端修成半圓形，并在圓心處鉆孔，用于與“固定尺”相連；在另一端和中心處鉆孔，并用圖釘穿過成“固定軸1、2”，用于（疊加）放置演示功能盤。

③演示儀：用圖釘穿過連接孔將兩直尺連為一體，“轉動尺”可以繞圖釘（轉軸）轉動，制成演示儀。

2.功能盤

（1）制作材料

透明的幻燈片，即書寫復印膠片。

（2）制作方法

根據教學需要繪制詳略程度不同的各種演示功能盤。將要用于演示的各種功能盤（如北半球、南半球、經緯網、地月系、地方時、太陽高度、周期、春秋分、夏季、冬季盤等，見附圖）打印在紙上，然后將其復印到透明的幻燈片上，并將其修剪成圓形。

二、演示儀的教學應用

1.演示地球的自轉和公轉

地球繞地軸自轉、繞太陽公轉。用兩圖釘穿過“固定孔”將演示儀“固定尺”固定在桌面上，將“北半球盤”（或“南半球盤”）放置到演示儀的“固定軸1”（或“固定軸2”）上。按逆時針方向旋轉“北半球盤”（或按順時針方向旋轉“南半球盤”），即演示地球繞地軸自轉。

在逆時針方向旋轉“北半球盤”的同時帶動“轉動尺”按逆時針方向轉動（或在順時針方向旋轉“南半球盤”的同時帶動“轉動尺”按順時針方向轉動），即演示地球在自轉的同時繞太陽公轉（如圖2）。

圖2

2.演示太陽日和恒星日

太陽連續兩次經過上中天的時間間隔，叫做一個太陽日，為24小時；天空某一恒星連續兩次經過上中天的時間間隔，叫做一個恒星日，為23時56分4秒。

用兩圖釘穿過“固定孔”將演示儀“固定尺”固定在墻面上，使“轉動尺”垂直向下。將“周期盤”放置到演示儀的“固定軸1”上，讓盤上OP線段與“轉動尺”的中心線重合且P點在上。按逆時針方向轉動“周期盤”，同時帶動“轉動尺”也按逆時針方向轉動，到OP線段再次出現豎直時的時間間隔為恒星日，到OP線段再次與轉動尺的中心線重合且P點在上時的時間間隔為太陽日。

用同樣的方法可以演示以下幾種假設情況下的太陽日和恒星日的比較：①公轉方向不變，自轉方向相反；②自轉方向不變，公轉方向相反；③公轉方向和自轉方向都相反（如圖3）。

圖3

3.演示地球自轉的地理意義

（1）晝夜交替

將“春秋分盤”（或“夏季盤”、“冬季盤”）放置到“固定軸1”（或“固定軸2”）上，讓12時經線與“轉動尺”的中心線重合且朝向“轉軸”（將“轉軸”或量角器看作是太陽，下同）。之上疊加“北半球盤”（或“南半球盤”），按逆時針方向旋轉“北半球盤”（或按順時針方向旋轉“南半球盤”），可以看到地球不停地運動，晝夜不斷的交替（如圖4）。

圖4

（2）地方時

將“地方時盤”放置到“固定軸1”（或“固定軸2”）上，讓12時與“轉動尺”的中心線重合且朝向“轉軸”。之上疊加“北半球盤”（或“南半球盤”），按逆時針方向旋轉“北半球盤”（或按順時針方向旋轉“南半球盤”），可以看到地球不停地運動，地方時不斷的變化，越往東的地點時刻越早；還可直觀看到各時區的區時（即各時區中央經線的地方時）的變化。

若將“北半球盤”（或“南半球盤”）的1200E經線在“地方時盤”上對準當前的北京時間（用鐘表查看），也就可以在“地方時盤”上看出當前世界各地的大致時間；然后在“地方時盤”上，找到0時對應的經線，按自西向東方向到1800經線的范圍是“今天”，由1800經線自西向東直至0時對應經線的范圍是“昨天”（如圖5）。

圖5

圖6

（3）沿地表水平運動物體的偏移

將“北半球盤”（或“南半球盤”）放置到“固定軸1”（或“固定軸2”）上。在盤中心附近滴上紅墨水，然后按逆時針方向旋轉“北半球盤”（或按順時針方向旋轉“南半球盤”），從紅墨水運動軌跡可以看出在北半球向右偏、南半球向左偏的偏移規律（如圖6）。

4.演示地球公轉的地理意義

（1）晝夜長短的變化

將“春秋分盤”放置到“固定軸1”（或“固定軸2”）上，讓12時與“轉動尺”的中心線重合且朝向“轉軸”。之上疊加“北半球盤”（或“南半球盤”），可以看到春秋分時全球晝夜等長（如圖7）。

圖7

將“夏季盤”和“冬季盤”分別放置到“固定軸1”和“固定軸2”上，讓12時與“轉動尺”的中心線重合且朝向“轉軸”。之上分別疊加“北半球盤”和“南半球盤”（或“南半球盤”和“北半球盤”），可以看出夏季晝長夜短（夏至日北極圈內出現極晝、冬至日南極圈內出現極晝），冬季晝短夜長（夏至日南極圈內出現極夜、冬至日北極圈內出現極夜）。

將“高度盤”放置到“固定軸1”（或“固定軸2”）上，讓900線與“轉動尺”的中心線重合且朝向“轉軸”。之上疊加“經緯度盤”，按順時針或逆時針方向轉動，使900線（即太陽直射點）在南北回歸線之間移動，可以直觀看出各緯度一年中晝夜長短變化情況（如圖8）。

圖8

（2）正午太陽高度的變化

將“高度盤”放置到“固定軸1”（或“固定軸2”）上，讓900（即太陽直射點）與“轉動尺”的中心線重合且朝向“轉軸”。之上疊加“經緯度盤”，按順時針或逆時針方向轉動，使900在南北回歸線之間移動。當900在赤道時，正午太陽高度自赤道向兩極遞減；當900在北回歸線（或南回歸線）時，正午太陽高度自北回歸線（或南回歸線）向南北兩側遞減（如圖8）。

（3）五帶

將“高度盤”放置到“固定軸1”（或“固定軸2”）上，讓900（即太陽直射點）與“轉動尺”的中心線重合且朝向“轉軸”。之上疊加“經緯度盤”，按順時針或逆時針方向轉動，使900在南北回歸線之間移動。可以看出有太陽直射的熱帶、有極晝極夜現象的寒帶、既無太陽直射又無極晝極夜現象的溫帶（如圖8）。

（4）黃赤交角大小的變化

在上述演示公轉地理意義的基礎上，還可演示黃赤交角大小（等于回歸線的度數）變化時五帶的劃分和晝夜長短的變化情況。若黃赤交角變大，則讓900最北最南的范圍擴大到回歸線之外；若黃赤交角變小，則讓900最北最南的范圍縮小至回歸線之內。

5.演示日出日落的方位

將“高度盤”放置到“固定軸1”（或“固定軸2”）上，讓900（即太陽直射點）與“轉動尺”的中心線重合且朝向“轉軸”。之上疊加“經緯度盤”。當太陽直射赤道時，全球太陽正東升起正西落下；當太陽直射北半球時，全球太陽東偏北升起西偏北落下（極晝極夜地區除外）；當太陽直射南半球時，全球太陽東偏南升起西偏南落下（極晝極夜地區除外）。

6.演示日地月三者的關系

將“地月系盤”放置到“固定軸1”上，按逆時針方向轉動的同時帶動“轉動尺”也按逆時針方向轉動，可以看到地球繞太陽公轉、月球繞地球公轉，且公轉方向都是自西向東。

當月球與地球的連線與“轉動尺”中心線重合時，地球出現大潮；當二者出現垂直時，地球出現小潮。

當月球與地球的連線與“轉動尺”中心線重合，而地球位于月球和轉軸（即太陽）之間時，可能出現月食；而月球位于地球和轉軸（即太陽）之間時，可能出現日食（如圖9）。

圖9

7.測量當地的經度和緯度

將演示儀直立且“固定尺”按正南北向放置在陽光下，記錄“轉動尺”的影子為一直線時的北京時間T時，則當地的經度為120。E+（12-T）×15。/時。

將演示儀直立且“固定尺”按正南北向放置在陽光下，在北京時間T時（當地地方時為12時）調整“轉動尺”與“固定尺”的夾角，使“轉動尺”上“固定軸1”和“固定軸2”的影子重合，則此時的夾角為當地的正午太陽高度角。通過查詢當日太陽直射點的緯度也可求出當地的地理緯度。

將“固定尺”對準北極星，“轉動尺”中心線與量角器上900的夾角等于北極星的高度，即當地的地理緯度（如圖10）。

圖10

注：本演示儀獲第23屆全國青少年科技創新大賽科教制作類三等獎。