“昼夜交替”现象模拟实验装置改进

胡和国

《昼夜交替》一课，通过每天看到太阳东升西落、地球上的昼夜交替循环出现等自然现象，引导学生提出“昼夜交替现象是怎样形成的”，然后学生作出种种假设，并借助手电筒和地球仪模拟能够形成“昼夜交替”现象的几种不同情况来验证假设。实验要求学生分组操作，自主探究出“昼夜交替”现象产生的原因。学生在实验中，常常会出现操作不规范等问题，导致实验失败。比如：手电筒的光只照在地球仪的某一点上；地球仪围绕手电筒转动时，地球仪的倾斜方向随意改变；地球仪围绕手电筒转动轨迹（公转轨道）成曲线而不是圆形的；用手拨动地球仪转动时，地球仪转动快慢不均匀，等等。为了解决这些问题，笔者制作出1套“昼夜交替”现象模拟实验教具。

1主要制作材料

厚木板2块（60 cm×60 cm，10 cm×10 cm），小灯泡1个（6 V），不锈钢管1条（长为15 cm），4节5号电池盒2个，5号电池8节，地球仪1个（直径为15 cm），微型直流齿轮减速电机1个（转速为15 r/min），双刀双掷开关1个，铝合金窗材料1块（长为10 cm），导线若干等。

“昼夜交替”现象模拟实验装置如图1所示。

2制作方法

（1）制作轨道。选择1块60 cm×60 cm的厚木板作为地球围绕太阳公转的轨道平面，以木板的中心为圆心，用铅笔画1个半径为25 cm的圆作为地球围绕太阳公转的轨道。圆心位置挖一个深2 mm左右的小洞（注意不要把木板打穿），用刻刀将轨道挖成宽和深都约为2 mm的凹槽。

轨道平面图如图2所示。

（2）制作“小太阳”。选择1块10 cm×10 cm厚木板，在木板下面正中心铆上1个小螺丝钉，伸出约1 mm。将不锈钢管固定在木板上，然后将4节5号电池盒固定在不锈钢管上，最后将小灯泡固定在不锈钢管顶端。装配好电池，连接好导线，调试小灯泡是否发光。“小太阳”实物图如图3所示。

（3）制作电动地球仪。将微型直流齿轮减速电机安装在地球仪地轴的下端，固定好，使电机转动时能够带动地球仪转动。

选择1块铝合金窗材料（长为10 cm），在底端正中心铆上1个小螺丝钉，伸出约1 mm。在一侧安装上双刀双掷开关，将4节5号电池盒塞进铝合金窗材料里面，并固定好。

将电动地球仪实物图固定在铝合金窗材料上，然后装配好电池，连接好导线，调试电动地球仪，使地球仪能够自西向东自转，也能够自东向西自转。

在电动地球仪的某一个位置上做一个醒目的小标记。

电动地球仪实物图如图4所示。

3使用方法

（1）将轨道平面安放在课桌桌面上。关上教室门窗、窗帘以及电灯，教室内尽量保持黑暗状态。

（2）学生猜想产生“昼夜交替”现象的几种不同情况主要有：①地球不动，太阳绕着地球转；②太阳不动，地球绕着太阳转（地球不自转）；③地球自转（但不公转）；④地球绕着太阳公转的同时也自转，等等。

下面按照这4种猜想与假设来介绍本模拟实验装置的使用方法。

实验1：“地球不动，太阳绕着地球转”的使用方法。

（1）把地球仪安置在轨道平面的圆心上，“小太阳”安置在轨道上。

（2）打开“小太阳”的开关，使小灯泡发光。地球仪不能转动。

（3）先沿着轨道自西向东缓缓移动“小太阳”，观察地球仪上的小标记的“昼夜交替”现象。

（4）然后沿着轨道自东向西缓缓移动“小太阳”，观察地球仪上的小标记的“昼夜交替”现象。

实验2：“太阳不动，地球绕着太阳转（地球不自转）”的使用方法。

（1）地球仪安置在轨道上，“小太阳”安置在轨道平面的圆心上。

（2）打开“小太阳”的开关，使小灯泡发光。

（3）先沿着轨道自西向东缓缓移动地球仪（不自转），观察地球仪上的小标记的“昼夜交替”现象（注意移动时地轴倾斜方向保持不变）。

（4）沿着轨道自东向西缓缓移动地球仪（不自转），观察地球仪上的小标记的“昼夜交替”现象（注意移动时地轴倾斜方向保持不变）。

实验3：“地球自转（但不公转）”的使用方法。

（1）地球仪安置在轨道上，“小太阳”安置在轨道平面的圆心上。

（2）打开“小太阳”的开关，使小灯泡发光。

（3）打开地球仪的自西向东开关，地球仪自西向东自转，观察地球仪上的小标记的“昼夜交替”现象。

（4）打开地球仪的自东向西开关，球球仪自东向西自转，观察地球仪上的小标记的“昼夜交替”现象。

实验4：“地球绕着太阳公转的同时也自转”的使用方法。

（1）地球仪安置在轨道上，“小太阳”安置在轨道平面的圆心上。

（2）打开“小太阳”的开关，使小灯泡发光。

（3）打开地球仪的自西向东开关，地球仪自西向东自转。先沿着轨道自西向东缓缓移动地球仪，观察地球仪上的小标记的“昼夜交替”现象。然后沿着轨道自东向西缓缓移动地球仪，观察地球仪上的小标记的“昼夜交替”现象（注意移动时地轴倾斜方向保持不变）。

（4）打开地球仪的自东向西开关，地球仪自东向西自转。先沿着轨道自西向东缓缓移动地球仪，观察地球仪上的小标记的“昼夜交替”现象。然后沿着轨道自东向西缓缓移动地球仪，观察地球仪上的小标记的“昼夜交替”现象（注意移动时地轴倾斜方向保持不变）。

4模拟实验装置的优点

小学生的空间想象力不是很强，还没有很好地建立对宇宙空间的概念，对天体运动形式认识模糊，抽象思维能力有些不足。这套实验装置针对这些问题，能够形象地模拟出地球和太阳之间可能存在的各种运动形式，操作性强，把复杂的天文现象简单化，降低了学生实验探究的难度，提高了课堂教学效率。通过这套模拟实验装置，把猜想出的地球和太阳之间可能存在的各种运动形式模拟出来，极大地提高了学生动手动脑能力，同时也促进学生形成正确的宇宙观。