太阳与影子的关系演示仪

申明巾 汤巍

科学课上我们学习《太阳与影子》这一课时，老师让我们到阳光下测量物体影子的长短，观察影子的方向，并记录下数据，绘制曲线图，从中发现太阳与影子长短、方位变化的关系及其规律，同时利用这一规律制作一个太阳钟。

但是在做这个实验时，我们发现了下面几点不足之处：

1. 观测对象高低不一，影响数据采集。本实验必须选择空旷地直立物体的影子作为观察对象，观察的物体不统一，不便于测量影子的长短，会直接影响曲线图的绘制和数据的分析。

2. 观测时间太长，影响学生学习。实验中我们需要结合上下课时间做好定时观测记录，观测时间要持续一天，而大部分小学生很难做到定点定时观测。

3. 户外天气变化，影响观测活动。本实验容易受天气因素影响，阴天或下雨天观测活动就无法进行。

4. 观测主体年龄太小，影响实验的效果。小学生的空间思维和想象能力较弱，对太阳在天空中的位置变化及物体影子的大小、方位变化较模糊。

5. 日照下进行，耗时长，难度大。在制作太阳钟时，我们需要在钟面上标出时间刻度，也就是要在阳光下绘出指针的影子，花费时间较长，没有现成的日晷模型可参考，制作难度较大。

针对以上不足之处，我们对本实验仪器进行了改进。

我们准备了下面这些材料：LED灯若干个，铁丝、导线若干根，指南针一个，小开关1个，滑轮2个，弧形轨道1个，圆形面板两块，蓄电池1个。

1. 以直立在木板上的小木棍为统一观测对象，方便对影子长短、方向进行观测，有利于数据的收集和分析。

2.利用LED灯发光模拟太阳观察物体的影子，使实验不受天气影响。

3.利用不同位置的LED灯发光模拟太阳在天空中的位置变化，有利于小学生在短时间内观察到物体影子长短、方位的动态变化过程。

在使用这一实验仪器的过程中，我们又发现了下面几点不足之处：

1. LED灯过多，容易误导小学生，让他们以为天上有13个太阳。

2. LED灯暴露在外，光線较分散，并且观测的物体小木棍太细，使物体的影子成像不够清晰。

3. LED灯的位置摆放较随意，不符合自然界中的太阳运行轨迹。

4. 此装置仅能模仿太阳在天空中运行的一种轨迹，不能体现四季变化中物体影子的长度、方位变化规律。

针对第一次改进的不足，我们对本实验装置又进行了第二次改进，再次改进后的实验装置具有如下优点：

1. 将13盏LED灯换成一盏，并且在前端增加了一个灯罩，使光线更加聚集，亮度更大。

2. 设计了一个圆弧形轨道，让LED灯沿着轨道滑行运动，模拟太阳的东升西落，更加符合自然规律及小学生的认知规律。

3. 圆弧形轨道可绕着中间的轴移动位置，从而可以演示春分、夏至、秋分、冬至四个节气赤道上空太阳位置的变化规律，增补了书本上的知识，可拓展学生的视野。

4. 本实验装置器材简单、造价不高，方便操作，既可以进行演示实验又可以进行分组实验，有利于培养学生的创新思维和动手能力，值得推广。

首先在指南针的帮助下确定好东南西北四个方向，摆放好仪器，将电源打开。接着，手动控制LED灯沿着半弧形轨道滑行，借助半弧形轨道上面的点提示太阳运行的大致时间是多少，指导同学们观察指针的投影方向，测量影子的长短。分析实验数据，找到太阳位置变化与物体影子长短、方向变化的规律。然后观察日晷模型，了解其结构和测时原理，尝试制作一个太阳钟。最后将轨道向左和右各偏一定的角度，分别模拟夏至和冬至赤道上太阳运行的轨迹，让同学们寻找随着季节变化影子的方位和长短的变化规律。

改进后的实验装置集趣味性、观赏性、知识性、实用性于一体。我们还认为该实验装置设计新颖，构思巧妙，操作方便，有效地突破了《太阳与影子》这一课的教学重、难点，有利于激起小学生的探究欲望，开拓他们的视野，培养他们的宇宙空间想象能力及创新思维。如果LED灯亮度更大些，观看影子的效果会更好。圆弧形轨道模拟太阳运行的轨迹，如果能更精准些，误差会更小。

（指导教师 蒋田英 罗意军 编辑 孙世奇）