自制中學實驗操作型經緯測量儀

杜志軍

摘 要：經緯度的理論在初高中都有相應的涉及，卻無經緯度測量的方法和實驗要求。學生對于掌握抽象的純理論知識興趣不大，因此，利用相關經緯度測量的理論帶領學生自制經緯度測量儀，將理論聯系實際，提升學習的興趣。測量儀側重于理論的驗證和實踐操作，可運用于北半球大部分地區當地經緯度的簡單測量。就自制中學實驗操作型經緯測量儀進行分析，并在實踐操作過程中不斷反思和改進。

關鍵詞：經緯度；測量儀；操作；自制

一、研究背景

應試壓力和素質教育的矛盾使很多一線教師充滿無奈。雖然，課本中有著眾多的“活動”“案例”“讀圖思考”等來提升學生的知識技能，但在學生動手實踐的安排上卻比較缺乏。而實際上高中課本中的很多地理現象、地理原理、地理過程的實踐、實驗都可以通過教師的“信手拈來”來實現，例如，制作經緯度測量儀（下文簡稱測量儀）。

二、理論基礎

1.緯度測量的相關理論

利用北半球當地緯度與北極星之間的關系，即北半球當地地理緯度等于當地北極星的仰角。如圖1，從而可以利用測得的當地北極星的仰角來確定當地緯度。

2.經緯測量的相關理論

（1）一天中影子的變化規律

一天之中，太陽東升西落，影子日出時向西，日落時向東，一天中影子的長短和方位關于當地正午影子對稱，且當地正午影長為一天最短。因此，可以通過正午前后的相等長度的2個時刻的影子計算出正午影子出現的當地地方時。

（2）地方時的計算

在地球上經度相差15°，時間相差一個小時，即經度相差1°，時間相差4分鐘。可以以此為基礎，利用之前得出的正午最短影子出現的時間和某個參照經度的時間（如北京時間為120°E的地方時）來計算出當地的經度。

三、實驗儀器的制作

測量儀的制作采取了最為簡單的結構、最為理想的制作方式、可操作性強的標準。測量儀由標桿、皮尺、教學用圓規、指南針組成。

1.標桿的制作

測量儀的主體部分為標桿。標桿設計為利用2截長60 cm的廢棄方形鋼管來制作，鋼管并排焊接，留出2 cm的中縫（測緯度時將北極星置于中縫中），在鋼管底部加焊一根長30cm可用于固定在地表的舊鋼筋，在標桿頂部安裝一個指南針，整根標桿長約90 cm。

2.北極星仰角刻度的刻畫

將量角器放大，并將刻度畫在一張足夠大的白色紙上。將制作好的標桿垂直放置于畫好的量角器0°刻線上，此時可以得出量角器上各刻度與標桿的相對位置，從而畫出標桿上可用于測量仰角的角度。具體操作時，先畫出標桿左邊鋼管上的刻度，在利用兩根鋼管對稱的關系將左側鋼管上的刻度導致右側鋼管，且右側鋼管采用熒光筆畫刻度，有利于夜間觀測。而由于標桿離量角器原點的距離不同將影響到標桿上刻度的分布，因此，在刻畫刻度時我們將標桿與量角器原點的距離設定為30 cm。如圖2：

四、實驗操作

1.緯度測量

將標桿垂直放置于地面，利用指南針找出北方，將圓規的一個腳對其標桿底部，并水平，另一只腳指向北方，找出北極星，將北極星置于標桿中縫，即可量出北極星的仰角，確定當地緯度。

2.經度計算

在北京時間12點前將標桿垂直放置于地面，確定出此時的影子及長度，記下北京時間。利用該影長在標桿的有影子的一側畫出一條圓弧，當標桿影子再次落在圓弧上時，記下此時北京時間。先后記錄的兩個北京時間可以推算出當地正午12點時北京時間。利用兩個時間差計算出經度差，從而推算出當地經度。

五、實驗操作反饋及測量儀的改進

教師及學生在實驗過程中發現了一些問題。一是該實驗的精度有限；二是可測得的緯度范圍有限，且只能測算北半球；三是實驗儀器的制作還是比較麻煩，不夠簡易；四是圓規一腳的水平不好確定，導致測得的緯度存在誤差。

經過一段時間的研究和討論，我們將測量儀進行了較大幅度改進。首先，不再將量角器的刻度刻畫于標桿上，而是利用廣告噴繪技術將刻度繪制在長條形紙上形成刻度表。實驗操作時可將該刻度表貼在標桿上，同時可以根據實驗需求的不同噴繪不同量角器與標桿距離的刻度表。其次，不再利用圓規來尋找測量緯度。而是利用一段繩子代替圓規，繩上刻畫出不同長度的刻度。最后，由于刻度表的出現和繩子代替了圓規，對于標桿的要求也進一步降低，我們直接利用用來測量緯度的繩子作為標桿。

實驗操作時將繩子彎折成三角形，測量時，將刻度表貼在繩子垂直的一條邊上，與之連接的一邊水平放置，第三條邊用來尋找和確定北極星的仰角。而在測量經度時也是將繩子分成兩段，一段垂直于地面代替原來的標桿，另一段用來確定影長和畫出圓弧。

最終，我們的測量儀由繩子、刻度表、指南針組成。構成簡單、操作簡便、適用性較強成為改進后的測量儀的突出特點。當然，由于教師個人能力和技術的限制，無法制作形成高精度的測量儀，但卻也能很好地用于教學，對提高學生學習興趣和提升動手實踐能力有較大的幫助。