太阳视运动观测仪的制作及其教学应用

福建省厦门市第六中学（360012） 杨思窍

福建省厦门外国语学校（361010） 林 华

华东师范大学地理系（200241） 陈诗吉

太阳视运动观测仪的制作及其教学应用

福建省厦门市第六中学（360012） 杨思窍

福建省厦门外国语学校（361010） 林 华

华东师范大学地理系（200241） 陈诗吉

地球运动是中学地理教学的重点和难点。由于我们生活在地球上，作为地球运动参照物的日月星辰又与地球相距甚远，因而难以据此直接观测地球运动。当前虽然不乏较为准确地表现地球运动的多媒体课件资源，但由于其制作技术和呈现方式多为二维形式，学生难以从中获得三维感受和亲身体验。根据课程标准所提倡的“学习对生活有用的地理”的理念，应当为学生提供与其生活密切相关的知识，引导学生在生活中发现地理问题，关注学生的经历与体验，鼓励学生在地理学习过程中自主学习、合作交流、积极探究。因此，在地球运动的教学过程中，我们组织学生以四人小组为单位，观测并记录日影的日变化和年变化。在探究活动中，我们鼓励学生发现问题，尝试解决问题，并指导学生设计制作与之有关的小发明。本文介绍的“太阳视运动观测仪”便是学生在老师的指导下制作完成的作品。该作品已申请专利。

一、设计原理

由于地球自转，身处地球上的人们每日能观察到太阳东升西落的现象。事实上，这并非太阳围绕地球运动，而是一种相对运动，称之为太阳视运动。本作品依据太阳视运动的原理，通过太阳视运动所形成的物体影子长短和方位变化的现象，推断任意时刻太阳高度和太阳方位（原理如图1所示），并根据太阳方位与地方时的关系（原理如图2所示），结合不同纬度、不同日期的太阳方位来确定地方时（原理如图3所示）。

图1 太阳高度与立杆影长、太阳方位与立杆影子方位的关系

图2 太阳方位与地方时刻度线的关系（左为天球立体图，右为地球侧视图）

图3 随观测纬度变化调整日晷面角度示意

二、制作过程

1. 材料置备

（1）底座和支架、方位刻度圆环：PVC材料板、专用胶水、PVC水管、喷漆、水平仪、指南针、螺丝、接线柱；

（2）太阳高度与方位刻度半球：直径300 mm的不透明乳白色的路灯灯罩；

（3）球带型日晷面：直径略小于300 mm的透明的路灯灯罩；

（4）立杆、立杆标识球、日晷面转轴：直径5 mm的铁线、直径8 mm的小球；

（5）贴纸：标有方位、角度的贴纸若干，红色、粉红色即时贴纸若干；

（6）工具：记号笔、圆规、量角器、直尺、曲线锯子、砂轮、剪子、钳子等。

2. 加工制作

（1）底座、支架和刻度圆环：将PVC（厚度6mm）材料切割成260mm×260mm方板用作观测仪底座；切割一小段直径为150mm的PVC水管制成观测仪支架；用强力胶将底座和支架胶合；将PVC材料切割成（内径300mm外径330mm）方位刻度圆环；在底座固定三个调平用的螺丝。

（2）太阳高度与方位刻度半球：用直径14cm的路灯灯罩切割成半球，将上述方位刻度圆环胶合于半球的边缘。

（3）球带型日晷面：用直径290mm的路灯灯罩制成球带状。

（4）立杆、标识球和日晷面支柱及固定旋钮：切割一段长度为直径为5mm，长度160mm的铁线，将其一端固定于半球的底部中心，在另一端套上直径8 mm的小球作为立杆的标识球；用接线柱做日晷面支柱及固定旋钮。

3. 计算定标

（1）太阳高度刻度：用半圆量角器、圆规绘制等太阳高度线。

（2）太阳方位刻度：在半球边缘的方位刻度圆环上用量角器标上方位刻度，并用标有方位和角度的贴纸贴识；用记号笔在半球面上绘制与等太阳高度线垂直的方位刻度线。

（3）地方时刻度线：将红色贴纸裁成细条，中间线定为12点或0点，按15°/小时的间隔贴在透明的球带状日晷面上。

（4）节气刻度线：将粉红色贴纸裁成细条，按一定的间隔垂直于地方时线贴在球带状透明日晷面上。其中，中间线是二分日线，以北约16．3°为立冬日和立春日；以北约23．5°为冬至日；二分日线以南约16．3°为立夏日和立秋日；以南约23．5°为夏至日。

（5）纬度刻度：将广告店制作的半圆型角度贴纸贴在半球型球面东西两个方位的边缘。

4. 组装成品

（1）将半球型日晷面边缘打两个孔，将其套在转轴上，并将转轴固定在刻度圆环的东西两个方位。

（2）将球带状日晷面的12点刻度线切开5 mm宽度，使得立杆可以通过。

（3）将水平仪和指南针分别固定于观测仪底座上。

根据以上步骤，即可完成太阳视运动观测仪的制作，其效果如图4所示。

图4 太阳视运动观测仪（侧视图）

5. 操作方法

（1）将仪器整体放在空旷的平地，使得太阳光能够直接照射观测仪，立杆形成影子。

（2）使用前，通过底座上的水平调节螺丝校正仪器，使之保持水平状态；使用指南针进行定位，使方位刻度圆环的黑色标识的“北方”（影子方位）与实际方位的“北方”一致。

（3）调整球面形日晷带A的二分日节气线与正东或正西方位刻度线的夹角和观测地点的纬度一致。

（4）观测立杆标识球影子所对应的刻度，便可直接读出此地此时的太阳方位、太阳高度、地方时和大致的节气。

（5）若将该仪器用于南半球的观测，只需将日晷面放置于北面进行观测即可。

（6）若观测时正值夏季或出现极昼现象，只需配合球面形日晷带B进行观测读数即可。

（7）配合球面形日晷带B和手电筒（或其他适当光源）可用于演示任意地点、任意日期的太阳视运动轨迹，培养学生的空间思维能力。

三、效果评价

1. 实地测试

北京时间2011年11月14日上午8:42，将本仪器放置于校园中空旷地（纬度约为24°N）进行实地测试（图5）。

图5 校园观测实践

根据纬度调整球面形日晷带的二分日节气线与正东或正西方位刻度线的夹角为24°。据标识球的投影坐标可得：

（1）地方时：约8:40。厦门经度大约东经118°，所测时间应大致比时钟所示的北京时间慢8分钟，但实测比时钟慢2分钟。

（2）节气（日期）：立冬（每年的11月7日或8日）后。此日为11月14日，标识球投影落在立冬刻度线与冬至刻度线之间且靠近立冬日刻度线。

（3）太阳高度：约28°。

（4）太阳方位：约南偏东55°。

为了精确读数，可以将各刻度线进一步划分。

2. 实地验证

（1）地球自转速度、方向

将本仪器放在空旷地，前后间隔2小时，观测太阳高度与太阳方位，可测出太阳视运动速度和方向，从而推测出地球自转速度和方向。如在8月11日观测到如下数据：

根据太阳方位可计算出太阳视运动角速度约为每小时13°，从而推算出地球自转角速度大致为每小时13°。太阳视运动方向为自东向西，则地球自转运动方向为自西向东。地球自转角速度的误差与仪器的刻度、地球自转同时绕日公转、地球并非匀速自转等因素有关。

（2）正午太阳高度的季节变化及正午太阳高度公式

将本仪器放在空旷地，在二分二至日的正午，分别测出太阳高度，进行对比，并验证正午太阳高度的公式。如在二分二至日的正午观测到如下数据：

（3）太阳高度、方位周日变化规律

将本仪器置于空旷地上，每2小时分别读出太阳高度、方位，并绘制坐标图示意太阳高度和方位的周日变化规律。

（4）太阳周日视运动轨迹

将本仪器置于空旷地上，每2小时观测并标志小球投影的位置，将投影点连线即为太阳周日视运动轨迹。

（5）不同日期太阳周日视运动轨迹的比较

将二分二至日太阳周日视运动轨迹图进行比较，发现四日太阳周日视运动轨迹线平行。

3. 演示不同纬度太阳周日视运动轨迹

在室内，调整球面形日晷带的二分日节气线与正东或正西方位刻度线的夹角，结合手电筒，即可演示不同纬度地区不同日期的太阳周日视运动轨迹。

4. 本作品的创新点

（1）将立杆的投影面由水平面改为半球面，立杆的顶端为半球球心，将立杆影子控制在半球内，克服立杆测影装置在太阳高度较小的情况下，影像模糊、读数困难的问题。

（2）将球带式日晷面与太阳高度太阳方位观测仪巧妙结合，拓展其使用功能。

（3）既可以用作观测仪也可以用作演示仪。