太陽視運動簡易模型制作及應(yīng)用

張明強 程琦 王娟

摘 ?要 ?地球的運動屬于中學(xué)地理新教材“選擇性必修1”的第一單元內(nèi)容，既是難點也是重點，要求學(xué)生具備較強的時空想象和計算能力。在本單元教學(xué)過程中，筆者嘗試指導(dǎo)學(xué)生制作太陽視運動簡易模型，把生活中的現(xiàn)象通過模型生動呈現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生觀察、記錄、分析，并在此過程中幫助學(xué)生提高動手能力，加深對地球運動相關(guān)知識點的理解。

關(guān)鍵詞 ?太陽視運動；正午太陽高度；太陽視運動簡易

模型

中圖分類號：G633.55 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2023）05-0052-04

1 ?太陽周日視運動軌跡分析

地球自西向東的自轉(zhuǎn)過程中，如圖1所示，對地球上的觀測者而言，地外的天體日月星辰都以相反的方向和相同的周期旋轉(zhuǎn)，其中最典型的就是太陽的周日視運動。圖1中線a、b、c分別是夏至日、春秋分日、冬至日太陽直射點軌跡在地心天球上的投影[1]。

如果以北溫帶上的觀測者A點為中心建立天球，如圖2所示，觀測者正上方為天頂B。以所在地平圈CAD為切平面，把天球分為日半球和夜半球。線a、b、c被分割為白天和夜晚部分，白天部分就是在A點觀察到的太陽周日視運動軌跡。

圖3是為了符合認(rèn)知習(xí)慣，把圖2旋轉(zhuǎn)，地平圈呈現(xiàn)水平姿態(tài)，天頂處于正上方。圖4把太陽視運動軌跡轉(zhuǎn)換為立體圖，圖中能清晰觀察到分為上下半天的運動軌跡、日出日落方位，以及不同季節(jié)太陽軌跡的變化[2]。

2 ?太陽視運動簡易模型制作

2.1 ?設(shè)計原理

用透明塑料球模擬天球、移動燈帶模擬太陽移動軌跡、白色塑料板模擬地平圈，利用塑料球內(nèi)的水面自動找平原理，快速顯示任意緯度的二分二至日太陽視運動軌跡，并觀測太陽高度、方位和晝長。

2.2 ?材料準(zhǔn)備

兩個直徑30 cm透明硬質(zhì)塑料半球、長300 cm移動式燈帶、3個燈帶速度調(diào)節(jié)器、白色塑料板、長100 cm柔性圓管、膠水、貼紙、約7升淡水、墨水、小型人偶，以及圓規(guī)、量角器、軟尺、剪刀、馬克筆等若干工具。

2.3 ?加工制作

1）地平圈：把白色塑料板剪成直徑29 cm的圓形，在圓形邊緣用量角器標(biāo)記方位刻度，粘貼帶有方位的貼紙，然后在南、北兩個方位位置穿孔，孔徑比柔性圓管直徑稍微大一些，地平圈需要制作兩個，分別模擬以南、北半球觀測者為中心的地

平圈。

2）觀測者：在地平圈圓心位置粘貼小型人偶，將人偶分別指向地平圈的南北方向，指向正南的為北半球觀測者，指向正北的為南半球觀測者。

3）天球：垂直于塑料半球邊緣，用馬克筆在半球外殼畫一大圓，在圓線上用量角器和圓規(guī)標(biāo)記太陽高度并粘貼度數(shù)貼紙，把柔性圓管沿著大圓線粘貼在半球內(nèi)面，兩個半球都做相同處理。

4）夜半球：用約7升淡水盛滿半球，然后滴入若干墨汁。

5）太陽視運動軌跡：用燈帶分別環(huán)繞塑料半球的赤道位置、緯度23.5°位置，用剪刀截取一圈的長度，獲得一長兩短三條燈帶。連接電源與速度調(diào)節(jié)器，三條燈帶都設(shè)置為燈光依次閃亮，以24秒為周期。

2.4 ?組裝成品

1）把兩個地平圈如圖5擺放，以接觸點為中心，翻轉(zhuǎn)后將背面黏合在一起，并要注意兩個地平圈的南北方位穿孔要完全吻合。

2）將滴入墨汁的淡水緩慢加入半球，直至漂浮在上面的白色塑料板正好與半球邊緣齊平，白色塑料板在放置的時候，南、北兩個方位的穿孔要套在柔性圓管上，如圖6所示。

3）將另一個塑料半球合在夜半球上面，組成一個完整的球體，用膠水密封。

4）將三條燈帶分別粘貼在球體的赤道位置、南北緯度23.5°位置，如圖7所示，為了方便測量計算，燈帶起始位置都處于夜半球的子夜位置，三條燈帶和速度調(diào)節(jié)器以并聯(lián)方式聯(lián)結(jié)，方便各自調(diào)節(jié)閃亮速度。

5）轉(zhuǎn)動球體，觀察三條燈帶是否平行于地表，并在球體最上方粘貼北天極標(biāo)識。

根據(jù)以上步驟，即可完成太陽視運動簡易模型的制作，整體效果如圖8所示。

2.5 ?操作方法

1）接上電源，三條燈帶閃亮，將模型豎直放置，北天極處于正上方。

2）如果要測量北半球緯度為n的地區(qū)二分二至日太陽視運動軌跡，依據(jù)高度刻度線，把模型向著正北方向順時針傾斜（90-n）度。

3）地平圈平穩(wěn)后，依據(jù)燈帶與太陽方位刻度線、高度刻度線的交點數(shù)值，讀出二分二至日的日出日落方位，以及正午太陽高度。

4）燈帶依次亮起的周期設(shè)定為24秒，相當(dāng)于太陽在周日視運動軌跡中，隔一小時改變一次位置，結(jié)合刻度可以估計二分二至日整時的太陽高度和

方位。

5）如果要觀測南半球某地的二分二至日太陽軌跡，只需把模型倒轉(zhuǎn)過來，北天極處于正下方，墨水通過地平圈與天球間的空隙流入另一半球，等墨水轉(zhuǎn)換半球完畢且地平圈穩(wěn)定后，操作觀測方法同北半球。

3 ?實地應(yīng)用與測試

3.1 ?引導(dǎo)學(xué)生對模型進(jìn)行操作和觀察

1）操作模型順時針方向旋轉(zhuǎn)的過程，相當(dāng)于北半球觀測者不斷從高緯向低緯移動，以夏至日燈帶為例，太陽視運動軌跡從與地平圈平行到相切、相交，最后與地平圈垂直，晝長時間從極晝縮小到12小時。正午太陽高度先變大再變小，北回歸線地區(qū)達(dá)到90°，日出日落方位大致由北向南移動。

2）當(dāng)觀察者正好位于北極點時，模型豎直放置，三條燈帶平行于地平圈，表明極點位置太陽視運動軌跡都與地平圈平行，春秋分日太陽環(huán)繞地平圈一周，夏至日太陽也始終在天空中轉(zhuǎn)圈且保持高度角不變。冬至日太陽在地平面以下轉(zhuǎn)圈，北極地區(qū)出現(xiàn)極夜[3]。

3）當(dāng)觀察者位于赤道地區(qū)時，模型橫放，三條燈帶垂直于地平圈，學(xué)生總結(jié)規(guī)律如表1所示。

4）筆者所在學(xué)校位于安徽淮北地區(qū)，其經(jīng)緯度坐標(biāo)為（33°N，116°E），引導(dǎo)學(xué)生以本地作為北溫帶代表進(jìn)行觀測，并把測量值與理論值相比較，驗證模型的精確度，如表2所示。模型中燈帶依次亮起可以模擬一天中太陽位置的變換，以夏至日為例，觀測內(nèi)容如表3所示。

3.2 ?總結(jié)規(guī)律

從表中數(shù)據(jù)可以獲悉，對于北溫帶地區(qū)來說，從夏至日經(jīng)秋分日到冬至日，隨著太陽直射點不斷向南移動，晝長時間縮短，日出、日落方位逐漸向南移動，正午太陽高度越來越小，每天的日出偏角等于日落偏角，且太陽視運動軌跡以正午時間為界，以南北方向為軸作對稱分布[4]。

模型倒轉(zhuǎn)可以觀測南半球各地的太陽視運動軌跡，從全球范圍來看，除極晝極夜區(qū)，夏至日各地都是日出東北、日落西北，北半球太陽軌跡長于南半球，正午太陽高度大于南半球，冬至日各地都是日出東南、日落西南，北半球太陽軌跡短于南半球，正午太陽高度小于南半球。

4 ?模型評價

4.1 ?優(yōu)點

1）材料簡單，筆者在制作模型的過程中，除了燈帶和速度調(diào)節(jié)器來自網(wǎng)購，其他材料都來自身邊普通物品，有利于模型的推廣和方便學(xué)生自己動手制作。

2）本模型形象直觀生動，“天球”“地平圈”

“觀察者”“太陽軌跡”的表達(dá)一目了然，方便學(xué)生理解。

3）模型的構(gòu)思是筆者在這部分知識的教學(xué)過程中逐漸形成的，模型的不同部位基于不同的知識點，有利于教師由淺入深地分段教學(xué)。

4）操作方便，由于水面的自動找平原理，模型不需要根據(jù)觀測位置的不同反復(fù)調(diào)節(jié)，這是本模型表現(xiàn)最優(yōu)秀的地方。

4.2 ?缺陷與改進(jìn)建議

1）模型簡單易操作的缺陷就是容易產(chǎn)生誤差。一是球體形狀不穩(wěn)定，學(xué)生手扶模型長時間讀數(shù)過程中，手的不穩(wěn)定使讀數(shù)發(fā)生偏差。二是燈帶存在一定的寬度，給讀數(shù)造成困難。

后期可以制作一個槽型底座，模型在調(diào)整后再小心放入底座，加強其穩(wěn)定性。在燈帶的中央位置畫一條細(xì)線，作為讀數(shù)的參考線，可以把誤差控制在合理范圍內(nèi)。

2）觀測時間受限，只能觀測二分二至日的太陽視運動軌跡。

依據(jù)太陽直射點的緯度變化速度，計算得出非二分二至日的太陽直射點位置，用馬克筆在模型外殼增畫一條太陽軌跡線，可以解決觀測時間受限

問題。

5 ?參考文獻(xiàn)

[1] 張樹宏，汪和平.運用太陽視運動儀 ?突破地球運動難

點[J].中學(xué)地理教學(xué)參考，2019（4）：51-53.

[2] 汪和平.太陽視運動儀的原理、結(jié)構(gòu)、功能及應(yīng)用[J].

中國教育技術(shù)裝備，2016（13）：44-47.

[3] 楊思竅，林華，陳詩吉.太陽視運動觀測儀的制作及其

教學(xué)應(yīng)用[J].地理教學(xué)，2013（1）：16-18.

[4] 王安周.太陽周日視運動軌跡的繪制及計算[J].地理教

學(xué)，2016（10）：56-57.