“太阳光照图”简易教具的制作与运用

●李 敏/云南省昆明市第十二中学（650041）

一、制作过程

1.材料准备

圆板1个、木条5根（不要太宽）、螺帽4个、电钻1个、水彩笔及锯子、刀、扳手等。

2.制作过程

第一步，用水彩笔在圆板上画出赤道、南北回归线、南北极圈及地轴（图1）。

图1

第二步，在圆板正中心（表示地心）和右侧边缘经线上用电钻打A、B两孔（如图1）；在木条1、木条2、木条3、木条4和木条5上分别用电钻打孔（如图2），其中木条1长度和圆板直径相等，O孔位于木条1的中心，木条2上C、D孔距离和木条3上E、F孔距离相等，木条4上G、H孔距离和圆板上A、B孔距离相等（图2）。

图2

第三步，用螺帽固定圆板和木条：A、O、C孔用螺帽套上固定，B、E、K孔用螺帽套上固定，G、D孔和H、F孔用螺帽套住固定（图3）。

注意事项：木条1和木条2要垂直固定（可木条1A孔附近和木条2C孔端挖出一个槽，然后将两根木条套住即可）；木条5（表示地平线）要和AB孔半径垂直固定（在木条5上开挖一个与圆板边缘一致的圆弧槽即可固定）；为使木条能自由转动，螺帽不要拧得太紧。

二、原理说明

木条1表示晨昏线，木条2表示直射点的太阳光线及延长线（直射点太阳光线的延长线经过地心），木条2和圆板的交点为太阳直射点，木条3表示B处的太阳光线。

太阳光线可以看作平行光束，木条2的孔距和木条3的孔距相等，木条4的孔距与A、B孔距相等，则可保证木条2和木条3始终平行（平面中两组对边相等的四边形为平行四边形）。

B孔所在半圆弧表示太阳直射的经线，地方时为12时，木条3和木条5所成夹角为B地的正午太阳高度角。

三、演示操作

木条2的位置表示太阳直射点的位置。转动木条2（在南北回归线之间转动），表示太阳直射点的移动。

1.演示昼夜长短的纬度分布规律

木条2移动到南北回归线之间任一位置时，都能很方便看出任何一地昼弧和夜弧的长短（昼夜长短）状况、极圈内极昼极夜状况及昼夜长短在地球上的分布特点。例如，木条2转动到图4位置时，太阳直射南半球，北半球任意一地昼弧短于夜弧（昼短夜长），南半球任意一地昼弧长于夜弧（昼长夜短）；北极点周围出现极夜现象，南极点周围出现极昼现象；此刻地球上越往南昼越长夜越短，越往北昼越短夜越长。

图4

2.演示昼夜长短的季节变化规律

木条2在南北回归线之间移动的过程中，可以看出任何一地昼弧夜弧长度变化（昼夜长短的变化）状况和极圈内极昼极夜范围的变化状况。例如，木条2由图4位置向上转动到图5位置再到图6位置时，表示太阳直射点向北移动，北半球任一地昼弧变长夜弧变短（昼变长夜变短），北极圈内极夜范围变小，在图5时极昼极夜范围消失，极昼范围变大；南半球及南极圈则情况相反；赤道上昼弧夜弧没有变化，永远昼夜平分。由此，可以总结出全球昼夜长短和极昼极夜范围的季节变化规律：太阳直射哪个半球，那个半球昼长夜短，另外一个半球昼短夜长；当太阳直射点靠近赤道时，全球极昼极夜范围变小，反之变大，且夏至和冬至时全球极昼极夜范围最大。

图5

3.演示正午太阳高度的季节变化规律

转动木条2时，可以很直观地看出正午太阳高度角H的变化。例如，木条2由图4位置向上转动到图5位置再转动到图6位置时，H呈现出H1→H2→H3的变化（H1＜H2＜H3），正午太阳高度逐渐变大；当转动木条2向下（南）运动时，正午太阳高度则逐渐变小。如果在圆板右侧圆弧上多钻几个孔，则可表示不同纬度地区正午太阳高度的变化规律。

图6

4.演示晨昏线与经线的夹角变化

晨昏线与经线的夹角θ与太阳直射点的纬度相等（图4左图），转动木条2，容易看出春分、秋分太阳直射赤道时（图5），木条1（晨昏线）与地轴（平面图上可表示经线）重合，其他时候木条1（晨昏线）与地轴（经线）相交；当木条2（太阳直射点）靠近赤道时，木条1（晨昏线）与地轴（经线）的夹角θ变小，反之变大。

“太阳光照图”简易演示教具材料易得，制作简单，形象逼真，容易操作，且方便观察，作为教师辅助教学的工具和学生地球运动知识动手演示的学习工具，可以化静为动，将相关规律的动态过程直观地呈现出来，非常有利于学生理解和归纳地球运动中相关原理、规律，对于突破地球运动的重难点知识有着独特的功效。