我給地球量“腰身”
——通過“網(wǎng)絡(luò)+實(shí)測”方法測量地球半徑活動實(shí)踐

◆新疆呼圖壁縣第一中學(xué) 鄧江軍 李嬡 古麗巴哈爾·阿布來克木

地球是人類賴以生存的家園，建設(shè)美麗家園是人類的共同夢想。作為新時(shí)代的中學(xué)生，對地球的保護(hù)和利用應(yīng)建立在科學(xué)認(rèn)知的基礎(chǔ)之上。

我校“做與學(xué)”科技社的師生開展了“我給地球量了一下‘腰身’——通過‘網(wǎng)絡(luò)+實(shí)測’方法測量地球半徑”的科技實(shí)踐活動。我們將參加此次活動的50 名學(xué)生分為10 組，每組5 人。讓我們一起回顧活動過程吧！

制作日晷儀，創(chuàng)意大爆發(fā)

圖1 活動流程圖

活動開始前，我們在高一年級的部分學(xué)生中開展了問卷調(diào)查，之后又分析數(shù)據(jù)，了解學(xué)生對地球知識的掌握程度，然后制訂活動計(jì)劃。

為了讓本次實(shí)踐活動順利實(shí)施，我們舉辦講座幫助學(xué)生初步掌握測算地球半徑、計(jì)算地方時(shí)及正午太陽高度角等方法，以及地平式日晷儀、赤道日晷儀的制作原理等。接下來就是讓學(xué)生自己動手制作日晷儀了。我們沒有限制學(xué)生制作日晷儀的材料，只要確保作品的基本結(jié)構(gòu)無誤、性能穩(wěn)定、能重復(fù)利用即可。

接著，同學(xué)們將做好的日晷儀放在校園的空曠地進(jìn)行實(shí)測。用日晷儀顯示的地方時(shí)推算出對應(yīng)的北京時(shí)間，與真實(shí)的北京時(shí)間進(jìn)行對比，多次觀測后將自制日晷儀進(jìn)行誤差校準(zhǔn)。過程中記載數(shù)據(jù)，填寫日晷儀影子觀察活動記錄表。

圖2 日晷儀觀測活動

圖3 校準(zhǔn)報(bào)告樣例

在學(xué)校舉辦科技藝術(shù)節(jié)期間，展示學(xué)生制作的日晷儀，小組成員給觀摩者介紹本組的作品。評委老師對日晷儀進(jìn)行打分定等，并頒發(fā)獎(jiǎng)狀、獎(jiǎng)品。

觀測正午太陽高度角，為地球“量”腰身

選定一個(gè)晴朗的正午，讓學(xué)生提前準(zhǔn)備好卷尺、粉筆、自制日晷儀等，指導(dǎo)學(xué)生借助身邊的事物觀測正午太陽高度角。

圖4 日晷儀作品展出活動

在空曠的校園中選取參照物，可用立桿，或借助室外的實(shí)物進(jìn)行參照物高度測量。提前放置好自制日晷儀，觀察并推算地方時(shí)正午時(shí)刻的太陽高度角，以北京時(shí)間作參照。畫好正午時(shí)刻的日影位置，用卷尺測量影長。利用影長和桿長，推算正午太陽高度角，并記錄。

圖5 實(shí)測正午太陽高度角

圖6 正午太陽高度角觀測報(bào)告

此過程中也出現(xiàn)了很多問題：選擇的參照物不同，同時(shí)刻的太陽高度角存在差異，例如粗細(xì)不同的立桿橫截面影響了影長的測量；手動立桿觀測時(shí)，參照物的直立存在傾斜情況，影響精確度；用卷尺和粉筆做標(biāo)記獲取的原始數(shù)據(jù)不精確。實(shí)際測算中，我們排除差異較大的數(shù)值，計(jì)算出剩余多組結(jié)果的平均值，為下一步研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

接下來就是計(jì)算地球半徑了。我們引導(dǎo)學(xué)生用“太陽高度角”查詢軟件獲取數(shù)據(jù)。每組學(xué)生選擇不同緯度進(jìn)行查詢，并用在線地圖的測距功能獲得兩個(gè)參考點(diǎn)之間的地球表面弧長，結(jié)合校園內(nèi)實(shí)際測得的太陽高度角數(shù)據(jù)計(jì)算地球半徑。以各小組算出的地球半徑數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，求平均值，得出實(shí)測地球半徑約為6376 km，比實(shí)際地球平均半徑6371 km長0.08%，誤差較小。

實(shí)際計(jì)算時(shí)，出現(xiàn)過學(xué)生算出的數(shù)據(jù)誤差較大的情況，教師檢查計(jì)算過程后發(fā)現(xiàn)，是學(xué)生誤用數(shù)學(xué)公式的原因。在此過程中，學(xué)生深刻體會到“學(xué)”與“習(xí)”的關(guān)系，而實(shí)踐活動就是連接二者的紐帶之一。