正午太陽高度角紙制學具設計與制作

劉勝楠 張旺 楊舒文 張宏波

摘要：本論文介紹了正午太陽高度角紙制學具的設計與制作步驟。首先，通過太陽高度角原理分析設計構思正午太陽高度角紙制學具；然后利用正午太陽高度角紙制學具材料進行制作，最后進行組裝與操作。這樣的設計與制作流程為中學地理課堂紙制學具設計與制作提供參考。

關鍵詞：紙制學具 正午太陽高度角 設計 制作

一、紙制學具的內涵及特點

學具是知識的載體，所謂紙制學具就是供學生在課堂上按照教學要求進行動手加工組裝或操作的基本紙質材料和學習工具。紙制學具具有啟發性、趣味性、直觀性、科學性、簡易性、靈活性等特點。

二、正午太陽高度角紙制學具的設計與制作步驟

（1）正午太陽高度紙制學具設計構思

根據正午太陽高度角的含義，我們可以設想用圓形硬紙板和硬紙板做的長條指針來表示這個角。我們可以裁出一個圓形硬紙板作為地球的縱切面，其圓心為地心，圓形硬紙板的圓弧為地面，我們裁出一個硬紙板做的長條指針為正午直射點太陽光線，將指針的一端固定于圓心，設想指向圓形硬紙板外的另一端的端點為太陽，指針與圓弧切線形成的夾角為太陽直射點的正午太陽高度角。

為表示同一時間其他緯度的正午太陽高度角，我們設想在地表設一個可移動的觀察者，用硬紙板做一個長條，長條一端固定于圓形硬紙板的圓心，另一端設為箭頭在地表移動，箭頭頂端對應緯度為觀察者緯度，此處觀察太陽的仰角為正午太陽高度角，即觀察者所在緯度地面切線與太陽光線形成的夾角為觀察者所在緯度的正午太陽高度角。

為表示正午太陽高度角的年變化，我們可以在南北回歸線之間撥動一端為“太陽”的長條指針來演示太陽直射點的移動，撥動一端為“觀察者”的長條硬紙板來分析其他緯度正午太陽高度角的變化，并以此來比較正午太陽高度角的年變化。

為表示極晝極夜，裁出一塊與硬紙板直徑相同的黑色半圓紙板，設定其為夜半球；為表現晝夜變化與太陽直射點的關系，我們可以將帶有“太陽”的長條指針與黑色半圓紙板相連，固定于圓心，撥動“太陽”的同時，“夜半球”范圍也隨著移動。

（2）正午太陽高度角紙制學具的制作過程

首先，把硬紙板裁剪出一個直徑為20cm的圓形硬紙板，在紙板的中心按照“上北下南”畫出方向標。再在圓形板中間畫出赤道，在距離赤道南北兩側3cm處分別畫出南、北回歸線；在距離赤道南北兩側7cm處分別畫出南、北極圈線，在距離赤道南北兩側10cm處分別標出南北極。再用小刀在圓形硬紙板的圓心挖一個小孔。

再取一張硬紙板，在紙板上畫出如下圖形并裁剪，其中左邊半圓部分直徑也為20cm，右邊長條指針部分長度為25cm，寬度為5mm；在長條指針的右端剪一個小圓形設為太陽，并在長條指針上畫一個箭頭，箭頭自右向左，箭頭端點落在長條指針自左向右的10cm處，箭頭端點表示直射點緯度。另在圓心處用小刀挖一小孔，在半圓上標號重要緯線圈。（圖1）

三、正午太陽高度角紙制學具的操作與反思

（1）正午太陽高度角與直射點緯度關系

將帶有“太陽”長條指針為太陽直射光線，指針上的箭頭所指緯度為太陽直射點，太陽直射點的正午太陽高度角為90度，指針在南北回歸線間移動。撥動圓形硬紙板下的帶有 “觀察者”及“觀察者”所在緯度地面切線的箭頭，“觀察者”觀察太陽的仰角為當地正午太陽高度角。

太陽直射赤道時，即指針箭頭指向赤道，赤道上的正午太陽高度角為90度。撥動帶有“觀察者”的箭頭，使“觀察者”在不同緯度觀察太陽，分析其它緯度正午太陽高度角的變化，我們可以發現，南北半球相同緯度地區正午太陽高度角相同；不同緯度地區緯度越高正午太陽高度角越小。同理還可演示太陽直射南北回歸線之間任意一點的直射點與其他觀察點的正午太陽高度角的比較，因此得出，同一時刻，正午太陽高度角由直射點向南北兩極遞減的規律。

為演示正午太陽高度角的年變化，以長春所在緯度北緯43度為例，將帶有“觀察者”的箭頭撥到北緯43度。撥動帶有“太陽”的指針，演示太陽直射點在南北回歸線之間移動。當太陽直射點由赤道向北移動時，我們發現北緯43度的正午太陽高度角不斷增大，當太陽直射點在北回歸線上時，達到最大值。同理，使帶有“太陽”的指針由北回歸線向南回歸線之間移動，此時，北緯43度的正午太陽高度角不斷減小，當直射點位于南回歸線時，即冬至日時，北緯43度的正午太陽高度角達到一年中的最小值。

同理，通過正午太陽高度角紙制學具，我們還可以分別演示二分二至時任意緯度的正午太陽高度角。

（2）正午太陽高度角與極晝極夜現象

將畫有陰影部分的半圓紙板固定在圓形紙板之上，半圓紙板遮住的部分為夜，未遮住的部分為晝。半圓紙板會隨著帶有“太陽”的指針的移動而移動。當太陽直射點位于赤道時，半圓紙板遮住圓形硬紙板的左半部分，此時，全球晝夜平分。當太陽直射點北移時，半圓紙板覆蓋的南極圈范圍增大，北極圈覆蓋部分減少，因此北半球出現極晝現象，南半球出現極夜現象。在此期間，全球晝夜長短也發生了變化，北半球各緯度晝長大于夜長，且緯度越高，晝越長，夜越短。當太陽直射點位于北回歸線上，此時為夏至日，北半球的晝最長，夜最短，北極圈以北到處都是極晝現象。南半球正好相反。

同理，也可演示太陽直射點在赤道與南回歸線之間移動時南北半球極晝極夜現象。

參考文獻：

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[4] 潘德順；李長周.談簡易學具的制作方法[J].華人時刊（校長），2016.

（作者單位：長春師范大學 城市與環境科學學院）