自制中学实验操作型经纬测量仪

杜志军

摘 要：经纬度的理论在初高中都有相应的涉及，却无经纬度测量的方法和实验要求。学生对于掌握抽象的纯理论知识兴趣不大，因此，利用相关经纬度测量的理论带领学生自制经纬度测量仪，将理论联系实际，提升学习的兴趣。测量仪侧重于理论的验证和实践操作，可运用于北半球大部分地区当地经纬度的简单测量。就自制中学实验操作型经纬测量仪进行分析，并在实践操作过程中不断反思和改进。

关键词：经纬度；测量仪；操作；自制

一、研究背景

应试压力和素质教育的矛盾使很多一线教师充满无奈。虽然，课本中有着众多的“活动”“案例”“读图思考”等来提升学生的知识技能，但在学生动手实践的安排上却比较缺乏。而实际上高中课本中的很多地理现象、地理原理、地理过程的实践、实验都可以通过教师的“信手拈来”来实现，例如，制作经纬度测量仪（下文简称测量仪）。

二、理论基础

1.纬度测量的相关理论

利用北半球当地纬度与北极星之间的关系，即北半球当地地理纬度等于当地北极星的仰角。如图1，从而可以利用测得的当地北极星的仰角来确定当地纬度。

2.经纬测量的相关理论

（1）一天中影子的变化规律

一天之中，太阳东升西落，影子日出时向西，日落时向东，一天中影子的长短和方位关于当地正午影子对称，且当地正午影长为一天最短。因此，可以通过正午前后的相等长度的2个时刻的影子计算出正午影子出现的当地地方时。

（2）地方时的计算

在地球上经度相差15°，时间相差一个小时，即经度相差1°，时间相差4分钟。可以以此为基础，利用之前得出的正午最短影子出现的时间和某个参照经度的时间（如北京时间为120°E的地方时）来计算出当地的经度。

三、实验仪器的制作

测量仪的制作采取了最为简单的结构、最为理想的制作方式、可操作性强的标准。测量仪由标杆、皮尺、教学用圆规、指南针组成。

1.标杆的制作

测量仪的主体部分为标杆。标杆设計为利用2截长60 cm的废弃方形钢管来制作，钢管并排焊接，留出2 cm的中缝（测纬度时将北极星置于中缝中），在钢管底部加焊一根长30cm可用于固定在地表的旧钢筋，在标杆顶部安装一个指南针，整根标杆长约90 cm。

2.北极星仰角刻度的刻画

将量角器放大，并将刻度画在一张足够大的白色纸上。将制作好的标杆垂直放置于画好的量角器0°刻线上，此时可以得出量角器上各刻度与标杆的相对位置，从而画出标杆上可用于测量仰角的角度。具体操作时，先画出标杆左边钢管上的刻度，在利用两根钢管对称的关系将左侧钢管上的刻度导致右侧钢管，且右侧钢管采用荧光笔画刻度，有利于夜间观测。而由于标杆离量角器原点的距离不同将影响到标杆上刻度的分布，因此，在刻画刻度时我们将标杆与量角器原点的距离设定为30 cm。如图2：

四、实验操作

1.纬度测量

将标杆垂直放置于地面，利用指南针找出北方，将圆规的一个脚对其标杆底部，并水平，另一只脚指向北方，找出北极星，将北极星置于标杆中缝，即可量出北极星的仰角，确定当地纬度。

2.经度计算

在北京时间12点前将标杆垂直放置于地面，确定出此时的影子及长度，记下北京时间。利用该影长在标杆的有影子的一侧画出一条圆弧，当标杆影子再次落在圆弧上时，记下此时北京时间。先后记录的两个北京时间可以推算出当地正午12点时北京时间。利用两个时间差计算出经度差，从而推算出当地经度。

五、实验操作反馈及测量仪的改进

教师及学生在实验过程中发现了一些问题。一是该实验的精度有限；二是可测得的纬度范围有限，且只能测算北半球；三是实验仪器的制作还是比较麻烦，不够简易；四是圆规一脚的水平不好确定，导致测得的纬度存在误差。

经过一段时间的研究和讨论，我们将测量仪进行了较大幅度改进。首先，不再将量角器的刻度刻画于标杆上，而是利用广告喷绘技术将刻度绘制在长条形纸上形成刻度表。实验操作时可将该刻度表贴在标杆上，同时可以根据实验需求的不同喷绘不同量角器与标杆距离的刻度表。其次，不再利用圆规来寻找测量纬度。而是利用一段绳子代替圆规，绳上刻画出不同长度的刻度。最后，由于刻度表的出现和绳子代替了圆规，对于标杆的要求也进一步降低，我们直接利用用来测量纬度的绳子作为标杆。

实验操作时将绳子弯折成三角形，测量时，将刻度表贴在绳子垂直的一条边上，与之连接的一边水平放置，第三条边用来寻找和确定北极星的仰角。而在测量经度时也是将绳子分成两段，一段垂直于地面代替原来的标杆，另一段用来确定影长和画出圆弧。

最终，我们的测量仪由绳子、刻度表、指南针组成。构成简单、操作简便、适用性较强成为改进后的测量仪的突出特点。当然，由于教师个人能力和技术的限制，无法制作形成高精度的测量仪，但却也能很好地用于教学，对提高学生学习兴趣和提升动手实践能力有较大的帮助。