太陽視運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)是中學(xué)地理教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。由于我們生活在地球上，作為地球運(yùn)動(dòng)參照物的日月星辰又與地球相距甚遠(yuǎn)，因而難以據(jù)此直接觀測地球運(yùn)動(dòng)。當(dāng)前雖然不乏較為準(zhǔn)確地表現(xiàn)地球運(yùn)動(dòng)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(yàn)。根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)所提倡的“學(xué)習(xí)對生活有用的地理”的理念，應(yīng)當(dāng)為學(xué)生提供與其生活密切相關(guān)的知識(shí)，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(yàn)，鼓勵(lì)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(yùn)動(dòng)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(dòng)中，我們鼓勵(lì)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(jì)制作與之有關(guān)的小發(fā)明。本文介紹的“太陽視運(yùn)動(dòng)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(jì)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(shí)上，這并非太陽圍繞地球運(yùn)動(dòng)，而是一種相對運(yùn)動(dòng)，稱之為太陽視運(yùn)動(dòng)。本作品依據(jù)太陽視運(yùn)動(dòng)的原理，通過太陽視運(yùn)動(dòng)所形成的物體影子長短和方位變化的現(xiàn)象，推斷任意時(shí)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(shí)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(shí)（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(shí)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(biāo)識(shí)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(biāo)有方位、角度的貼紙若干，紅色、粉紅色即時(shí)貼紙若干；

（6）工具：記號(hào)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(qiáng)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(gè)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(biāo)識(shí)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(biāo)識(shí)球；用接線柱做日晷面支柱及固定旋鈕。

3. 計(jì)算定標(biāo)

（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(biāo)上方位刻度，并用標(biāo)有方位和角度的貼紙貼識(shí)；用記號(hào)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(shí)刻度線：將紅色貼紙裁成細(xì)條，中間線定為12點(diǎn)或0點(diǎn)，按15°/小時(shí)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(xì)條，按一定的間隔垂直于地方時(shí)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(gè)方位的邊緣。

4. 組裝成品

（1）將半球型日晷面邊緣打兩個(gè)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(gè)方位。

（2）將球帶狀日晷面的12點(diǎn)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(yùn)動(dòng)觀測儀的制作，其效果如圖4所示。

圖4 太陽視運(yùn)動(dòng)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(jìn)行定位，使方位刻度圓環(huán)的黑色標(biāo)識(shí)的“北方”（影子方位）與實(shí)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(diǎn)的緯度一致。

（4）觀測立桿標(biāo)識(shí)球影子所對應(yīng)的刻度，便可直接讀出此地此時(shí)的太陽方位、太陽高度、地方時(shí)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(jìn)行觀測即可。

（6）若觀測時(shí)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(jìn)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(dāng)光源）可用于演示任意地點(diǎn)、任意日期的太陽視運(yùn)動(dòng)軌跡，培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力。

三、效果評(píng)價(jià)

1. 實(shí)地測試

北京時(shí)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(jìn)行實(shí)地測試（圖5）。

圖5 校園觀測實(shí)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(biāo)識(shí)球的投影坐標(biāo)可得：

（1）地方時(shí)：約8:40。廈門經(jīng)度大約東經(jīng)118°，所測時(shí)間應(yīng)大致比時(shí)鐘所示的北京時(shí)間慢8分鐘，但實(shí)測比時(shí)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(biāo)識(shí)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(jìn)一步劃分。

2. 實(shí)地驗(yàn)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(shí)，觀測太陽高度與太陽方位，可測出太陽視運(yùn)動(dòng)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(jì)算出太陽視運(yùn)動(dòng)角速度約為每小時(shí)13°，從而推算出地球自轉(zhuǎn)角速度大致為每小時(shí)13°。太陽視運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樽詵|向西，則地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樽晕飨驏|。地球自轉(zhuǎn)角速度的誤差與儀器的刻度、地球自轉(zhuǎn)同時(shí)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(jìn)行對比，并驗(yàn)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(shí)分別讀出太陽高度、方位，并繪制坐標(biāo)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(yùn)動(dòng)軌跡

將本儀器置于空曠地上，每2小時(shí)觀測并標(biāo)志小球投影的位置，將投影點(diǎn)連線即為太陽周日視運(yùn)動(dòng)軌跡。

（5）不同日期太陽周日視運(yùn)動(dòng)軌跡的比較

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

3. 演示不同緯度太陽周日視運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)軌跡。

4. 本作品的創(chuàng)新點(diǎn)

（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。