“日影观测法”活动的探究
“日影观测法”活动的探究
作者：***
来源：《新课程·教育学术》2010年第03期
        湘教版高中地理必修一有活动:“用观测日影的方法,粗略测定学校所在地的经度”。在活动的实施中,也引发了对本活动的探究。
        一、活动过程(如图1)
        1.在晴天,用一根细直的竹竿作日影竿,垂直插在地面上,测量日影杆在地面上的长度(设为b)。
        2.以日影杆所插的点O为圆心,于上午某时刻在地面上画一个半径略短于当时杆影长度的圆。
        3.当日影杆的影端落在圆周上时,标记为A点;下午,当日影杆的影端又落在圆周上时,再标记为B点;将A、B两点连成直线,取其中点C,连接OC。
        4.第二天,当日影杆的影子与OC重合的时刻,记下此时的北京时间,并测量此时的杆影长度(设为a)。
        5.计算学校所在地的地方时与北京时间的差值,利用所学的知识,算出学校所在地的经度数。
        活动中,引发了师生对本活动的探究。
        二、活动探究
        (一)需涉及知识点的探究
        1.太阳的周日视运动
        为什么得到了点A和点B后,两点连线的中点就能得到正午C点呢?其中就包含太阳周日视运动的知识,也是本活动开展的前提。但在本活动以前,学生并没有关于太阳周日视运动的知识,所以我们须先引入该知识点。
        活动开展以前,已学了地球的自转运动,了解地球自转方向为自西向东,在北半球看来太阳
东升西落。鉴于太阳的周日视运动知识在教材中没有要求,所以我们需要出示下图2。
        图中轨迹①②③为太阳在地平面以上的路径,即为白昼的弧长。
        上图的三条太阳运动轨迹有长短变化,①代表白天最长的夏至日,②代表春秋分日,③代表冬至日。本活动在9月23日以后开展,我们浙江省采用③路径。天顶都为12:00。
        从图2可看出,白天的太阳路径路线以12:00为中心,上午与下午对称,太阳升起后几个小时与太阳日落前的几个小时是对称的两时刻。
        由此,我们得出结论,上午的A点与下午对称的B点。
        2.太阳光照与影子方向的确定
        图2中③路径,太阳东南升、西南落。所以,上午杆影方向为西北、下午杆影方向为东北,得出图1中影子OA、OB的方向。
        3.太阳高度与竹竿影子的长短及变化
        (1)太阳高度及其变化
        由于本活动以前未学太阳高度的概念,所以我们可从图2中把太阳高度简略化。
        从图2中可以看出,当太阳刚好在地平面上时,太阳的高度是0;日出以后太阳高度逐渐增大,当太阳高度达到最大时为正午,此时的时间为该地的地方时12:00。正午以后太阳高度又逐渐变小,到日落时太阳又刚好回到地平面上,太阳高度为0。
        在一天的太阳高度变化中,我们不难发现,太阳高度也具有对称性,中心点为12:00。所以距离12:00相等的时刻太阳高度相同,如10:00与14:00的太阳高度相同,所以活动中确定了一天中两个太阳高度相同的时刻A和B。
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        (2)太阳高度与竿影的长短
        如图3,太阳高度越大,竿影的长度越小,太阳高度相同,竿影的长度也相等。活动中A时刻的竿影长度b与B时刻的竿影长度相等。
        当已经测定竿影长度b后,为什么要画一个半径略短于b的圆呢?从图2中得出,A时刻后至12:00间的任一时刻,太阳高度是不断增大的,即下一次测定的太阳高度一定大于A时刻的太阳高度,所以竿影的长度应该变短,由此在开展本活动时所画圆的半径就应比b略短。
        以上已经知道太阳高度是以12:00为中心对称的,所以出现两次相等的竿影长度的中间即为中心时间12:00时的竿影位置和长短。我们以画角平分线的方法确定正午竿影的位置,且记录当竿影位于此地点时的长度,得到OC。当第二天竿影与OC重合时,也为正午。(忽略两天同时刻的太阳高度变化。)
        4.时间的换算
        活动中记录第二天当竿影与OC重合时的时间,此时用手表测定并记录的时间是北京时间,即120°E经线的地方时;而竿影与OC重合时的时间是活动测量地的地方时,地方时为12:00。
        根据两个时间差,来推算两地的经度差异,从而确定活动测量地点的经度。如竿影在OC时所记录的北京时间为12:16分,与地方时12:00相差16分钟。经度相差1°,地方时相差4分钟,活动地的地方时与北京时间相差16分钟,两地的经度就相差4°;根据东早西迟,知道活动地位于120°E的以东4°的经度处,即124°E。若记录的钟表时间比12:00小,则位于120°E以西的某经度上,经度差值同前计算。
        (二)对本活动安排的建议
        1.测定活动地的纬度
        本活动还可测定当地的纬度,这样,我们也可把本活动命名为“用观测日影的方法,粗略测定学校所在地的经纬度”。
        已知与OC重合时竿影的长度a,a即为正午的竿的影子长度,测定竹竿的长度,记为L,如上图4,H为正午太阳高度,则tanH=L/a,查出H的值,H=90°-|当地纬度Φ+该日直射点纬度δ|,先计算出该日太阳直射点的纬度,方法为:23.5°/δ=90/(该日与9月23日的日期差);再算出活动地的纬度Φ。
        2.本活动安排在“地球的自转的地理意义”中,只为单一测定所在地的经度,所以可省略以上①②③步骤,把本活动的设计改为单一的计算题,如:学校一地理兴趣小组对一竹竿的影子进行测定,测得影子最短时的北京时间为12:16,计算该地的经度。
        3.由于教材把本活动安排在“地球自转的地理意义”中进行,活动中所涉及的知识点二、三在地球的公转中才学,所以本活动中最好有以上图1、图2、图3、图4四张插图,这样可以让学生在图中直观地获得知识,避免未知知识的干扰。
        4.鉴于本活动涉及上述多个知识点,在没有前面解释的前提下,开展本活动的时间安排似乎欠妥,最好安排在地球的公转运动后进行,或有侧重地分步进行。如“地球的自转的地理意义”后测定该地的经度,在“地球的公转”后再安排与正午太阳高度有关的本活动及活动地纬度的测定。
        作者单位:浙江省嵊州市第一中学

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