地球运动之“时间、日影与光线”试题分析与设计

刘 磊

(赣州市文清外国语学校)

地球运动是高中地理课程的重点和难点,也是高考地理考查的重要内容。学习地球运动及其产生的地理意义等相关知识具有较大的难度,教学中教师对概念解释与过程推导的呈现更为抽象,需要学生具备较强的地理综合思维能力。在这一章节的学习过程中部分学生往往会存在胆怯和畏难的心理,一定程度上说明学生对知识的理解不清晰、不全面,使得课后练习或考试过程中会有较高的错误率,因此对教师在教学中帮助学生搭建和培养地球运动立体空间的思维与感知提出了更高的要求。面对地球运动产生的诸如时间、日影与光线问题,学生不仅要理解地球运动与其产生的地理意义的知识,还要学会仔细观察生活中所看到的自然地理现象,分析不同地点因经度差所产生的地方时或区时、太阳方位、太阳高度及日影长短随太阳直射点的变化而产生变化等问题,真正做到知识源于课本,案例取材与知识应用于生活情境之中。由此代入地理思维的训练,加深对地球运动相关知识的理解,加强地理空间视觉能力的培养,提高学生对知识的应用能力,提升地理实践力。

本文挑选了近年来高考考查地球运动及其地理意义的相关试题,并结合最新的模拟试题,总结地球运动章节中涉及时间、日影与光线问题的学习方法,分析此类题目在解题过程中的思维链条,归纳出应对考试中本类试题难点的方法和技巧。最后结合生活情境案例,设计了一组综合时间、日影和太阳光线有关的考查试题,以供地球运动相关课程教学参考。

一、试题解析

【例1】(2020年天津市等级考,14,15题)

图1为我国某地一住宅小区示意图,图2中四个方向的阴影分别为小区内某栋住宅楼二至日8:00和16:00的日影。读图文材料,完成14,15题。

图1

图2

14.该小区最可能位于

( )

A.北京 B.银川

C.杭州 D.海口

15.小区内各住宅楼楼高一致,休闲广场被楼影遮挡面积最大的时段是

( )

A.夏至日8:00—12:00

B.夏至日12:00—16:00

C.冬至日8:00—12:00

D.冬至日12:00—16:00

【解题指导】第14题,依据图中二至日住宅楼日影的长短及方向,且08:00和16:00是关于北京时间正午对称的两个时刻,二至日8:00,16:00的太阳在天空中的位置在住宅楼的南北两侧,判断小区所在地应位于回归线与赤道之间,推断该小区最可能位于海口,选D选项。

第15题,在我国的休闲广场要被遮挡的面积更大,说明楼影更长,为冬至日;结合图中休闲广场东南侧住宅楼较为密集,太阳位于当地东南侧天空,时刻为08:00—12:00,休闲广场被楼影遮挡面积较大。选C选项。

【例2】(2021年1月浙江省选考,19,20题)我国某中学生发现,在书桌的固定观测点上,每年仅有一天通过窗户既可观察到日出也可看到日落。图3为该日日出、日落的位置示意图。完成19,20题。

图3

19.若乙为该日日出位置,则该窗朝向

( )

A.正南 B.东北

C.正北 D.西南

20.若该日日出为北京时间6点56分,日落地方时为18点59分,正午太阳高度为83.8°,则该学生所在地最可能是

( )

A.济南 B.广州

C.武汉 D.拉萨

【解题指导】第19题,图中甲和该日日出、日落视角小于180°,可能为夏半年和冬半年的太阳视运动,因此窗户朝向为正北或正南;而在我国只有夏半年日出东北、日落西北的情形符合题目要求,因此图示窗户朝向为正北。选C选项。

第20题,材料提示昼长夜短,为北半球的夏半年。由正午太阳高度83.8°可知,所在的城市应在较低纬度地区,且根据日落地方时推算出该地的日出地方时为5点01分,这与北京时间(中央经线120°地方时)相差1小时55分,约30°经度,即约90°E,故最有可能是拉萨。选D选项。

【例3】(2021年6月浙江省选考,19,20题)我国某中学组织学生对直立物日影变化进行观测﹐具体做法是:先在一块平坦的地面上直立一根标杆,再以此杆直立点(甲)为圆心,以杆长为半径绘一半圆。图4为某日杆影变化图,图中阴影部分为标杆影子范围。完成19,20题。

图4

19.甲地位于

( )

A.东北平原

B.华北平原

C.四川盆地

D.珠江三角洲

20.若从甲地垂直上方朝下看,一年中某时刻地面上昼夜状况与经纬线位置关系最有可能是

( )

A.① B.② C.③ D.④

【解题指导】第19题,由材料描述地面半圆以杆长为半径所绘,可以得出甲地正午时太阳高度为45°,再依据日出日落影子的方位可知,此时为二分日,则太阳直射赤道,可推得当地的纬度大约为45°N,因此可以得出甲地为东北平原,A选项正确。

第20题,由甲地纬度位置为45°N可知,相同经度差之间的纬线长度往北逐渐减小,排除①④;若从甲地垂直上方朝下看,其左右两侧的经线应该是对称的,②正确,③错误。B选项正确。

【例4】(2021年山东省等级考,12,13题)某日,小李在某地(110°E,40°N)广场游玩时,发现广场平面图中的指向标模糊不清(图5a)。他通过观测广场石柱影子的长度和方向(图5b),确定了平面图的指向标。据此完成12,13题。

图5

12.该广场平面图的指向标应该是图c中的

( )

A.① B.② C.③ D.④

13.一周后的相同时刻,小李再次测量发现该石柱的影长变长,则第二次观测日期可能在

( )

A.2月16日前后

B.5月8日前后

C.8月20日前后

D.11月10日前后

【解题指导】第12题,由材料可知,广场为110°E,北京时间为12:10,可计算当地地方时为11:30,因此太阳位于南偏东,影子则朝向北偏西,判断图中指向标为②,B选项正确。

第13题,根据石柱高度和影长可算出此时太阳高度略大于60°,大于春秋分日的正午太阳高度50°,说明太阳直射点在北半球;结合影长变长信息,说明正午太阳高度减小,太阳直射点向南移,8月20日前后,太阳直射点向南移,正午影子变长。C选项正确。

【例5】(2021年江苏省选考,1,2题)图6为2016年12月8日游客在悉尼(33°55′S,150°53′ E)15时15分拍摄的照片。据此回答问题。

图6

1.该日悉尼的正午太阳高度角大约是

( )

A.32° B.58° C.66° D.79°

2.此时月球的方位

( )

A.偏东 B.偏南

C.偏西 D.偏北

【解题指导】第1题,冬至日(12月22日前后)太阳直射点在23.5°S附近,且太阳直射点在回归线之间移动速度大概1°/4d,因此12月8日太阳直射点位于20°S附近,结合正午太阳高度计算公式H=90°-∣纬度差∣,求得悉尼的正午太阳高度约76°05′,最接近D选项,故D选项正确。

第2题,材料说明此时是15时15分,太阳位于西北方向,物影位于东南方向,悉尼位于太阳直射点以南,正午太阳在正北方向,图中物影朝向东南方向,再向左偏转一个锐角即可正面面对月球,说明此时月球的方位偏东,A选项正确。

【例6】(2022年秋江苏连云港高三模拟题,1,2题)图7中曲线L为我国某地冬至日棒影,曲线L′与曲线L关于O点对称。图8为甲建筑(与棒等高)和曲线L′的位置关系(图中时间为地方时)。据此完成1,2题。

图7

图8

1.北京时间该日12时16分测得棒影最短,该地可能位于

( )

A.上海 B.北京

C.乌鲁木齐 D.重庆

2.受楼影阻挡的影响,该日O点正午前后的光照时长约为

( )

A.4小时 B.6小时

C.8小时 D.10小时

【解题指导】第1题,当地地方时为正午12时地物的影子最短,此时北京时间为12:16,则能求出当地所在的经度为116°E,该地应为北京,B选项正确。

第2题,冬至日受南侧甲建筑的遮挡,对于具有相同高度的甲建筑与棒OA,日出日落前后O点无法接受阳光照射,而正午前后太阳高度较大,O点受阳光照射产生日影,且曲线L′与日影L关于O点对称。图8中形成L′时间段为10:00—14:00,该时段O点能够接受阳光照射,约为正午前后的4小时,故A选项正确。

二、试题设计与方法总结

【原创题】北京时间7月28日午11:25,某位同学随亲友沿109国道自驾游玩,拍摄了一张旅游打卡(35.5°N,94°E)图片,发现铁路以桥梁架设的方式通过该区域。据此完成1～3题。

图9

1.当日此地的正午太阳高度角约为

( )

A.35° B.42° C.55° D.69°

2.图示区域的铁路桥梁走向为

( )

A.东北—西南 B.东—西

C.西北—东南 D.南—北

3.照片拍摄地太阳位于正南方时全球处于7月28日的范围约占全球的

( )

A.1/2 B.3/4

C.1/4 D.2/3

【解题指导】第1题,从6月22日至7月28日时间间隔36天,太阳直射点移动速度约为1°/4d,此时太阳直射点距北回归线纬度差为9°,因此照片拍摄日太阳直射14.5°N,可知当地正午太阳高度为H=90°-(35.5°N-14.5°N)=69°,选D选项。

第2题,根据材料所给时间日期可知,太阳直射点位于北半球,照片拍摄于北京时间11:25,结合太阳视运动知识可知,上午太阳位于东北天空,此时桥梁影子在西南侧,故该段桥梁走向为西北—东南,选C选项。

第3题,由材料可知,照片拍摄地为94°E,当太阳位于正南时为地方时正午12:00,此时全球为7月28日的经度范围从86°W向东至180°,约为3/4,选B选项。

【设计思路】本组试题以旅游打卡素材为背景,从生活情境视角吸引学生关注旅游活动中的地理现象,不仅结合了高中地理重要的地球运动知识模块,也融入了贴近生活的地理新情境。试题设计紧密联系高中地理课程标准要求的培养目标,从地理知识考查的设问角度引导学生运用所学地理知识解决地理问题。依据给定日期、经纬度坐标和109国道信息,考查了学生地球自转所产生的时间差异与太阳方位判断、正午太阳高度计算等知识要点,训练学生的空间思维能力、太阳高度计算能力和判读区域地理的空间定位能力。

【创新点分析】从近几年的高考试题中可以发现地球运动及其地理意义的相关试题多以现实生活案例为切入点,材料新颖,角度独特。因此本组试题在设计中也从生活情境材料和区域定位的角度出发,引导学生认识和分析西藏地区所处的经纬度位置,加强学生对我国西藏地区的区域认知能力,结合地球运动知识考查学生对西藏地区空间地理位置的综合思维能力。由材料信息可以推断出照片拍摄地为青藏高原,该条铁路为青藏铁路,考查学生对经纬度坐标掌握的学习和思维能力。依据图片中地表覆被特征,提高学生对青藏铁路特有的征象和标志的空间认知能力,锻炼学生对地球运动产生的相关现象及其背后蕴含的地理原理的空间逻辑思维,从而在大脑中形成地球运动产生的时间、日影与光线的空间立体结构图,并运用于解决此类学科问题。

【方法总结】在地球运动及其地理意义的内容中,解答时间、日影和光线相关问题需要结合的知识点较多,比如:①考查时间计算要将已知经度与所求地经度的差异进行分析,东“早”西“晚”,考题情境中很大可能出现的是日影最短,隐含已知条件则是时间为地方时12时;②物体影子的方位与太阳所在的方位相反,日影长短、太阳方位与时间(地方时)相关,一天中正午日影最短,时间越靠近正午影子越短,日出日落影子最长;③北(南)回归线及其以北(南)地区正午太阳位于正南(北),影子朝北(南),南北回归线之间则需要根据太阳直射点所在地纬度与该地的纬度位置关系判断太阳方位;④一年中二分二至日全球除极昼极夜地区外日出正东,日落正西;直射点位于北半球则日出日落偏北,直射点位于南半球则日出日落偏南;⑤同一地点的未来某个时间的影子长短变化需要考虑地球公转、太阳直射点的移动方向,再根据该地与特定日期的太阳直射点纬度位置进行判断;⑥求取不同纬度位置的太阳高度,则根据给定日期与太阳直射点的移动速度(1°/4d)进行计算。地理试题中关于时间、日影和光线的应用情境还包括考查计算时间早晚及特殊现象,判断季节及根据二十四节气指导农业生产活动,野外实践活动类的试题中考查结合地物的影长等信息进行方向与时间的判别,或根据影长判断纬度进而得出所处热量带,或依据太阳光线考查楼盘选楼、楼房采光、屋顶热水器安装以及停车遮阳等问题。

图10

三、地球运动试题核心素养体现与命题启示

(一)核心素养

学习和理解地球运动产生的地理意义涉及的时间、日影与光线问题,对于培养学生建构地理的方向感、空间感、立体感具有很大程度的帮助,思考与分析地球自转和公转所产生地理问题的过程体现了地理学科的理科属性,彰显了高中地理自然部分独特的理学之美。带领学生认识地球,在整个太阳系的运动规律的基础上,感知地球在宇宙中的渺小,认识人类的渺小,从而更加敬畏自然,尊重自然规律。探索地球运动的过程中培养学生对生活中的地理现象坚持不懈观察的意志品质,克服空间思维层面的困难,使学生逐步形成终身探索世界的习惯,或根据情境变化进一步提升地理思维的层次,从而使地理实践力作为学科意识和能力的培养得到真正的践行。

地球运动所涉及的时间计算、日影方位判断和光线角度等问题重点考查学生的地理学科综合思维,例如,分析极地地区昼夜状况,学生不仅需要掌握其所在的经度位置计算时间,还需要结合当地纬度与太阳直射点的纬度差异判断其昼夜情况。与之相关的试题多基于具体的生活情境,教学实践活动中要有意识地将教材理论知识与课外实际运用进行有效结合与延伸,对不同纬度区域特殊时间、日影和光线要加强引导学生的理解与识记,以及指导学生利用地球运动的知识分析相关区域的工农业生产活动案例,探讨区域发展、人类活动与地球运动所产生的地理意义之间的关系,提高区域认知能力。引导学生关注日益发展变化的世界,培养地理学科综合能力与品质,树立学生对自然和人文地理活动辩证统一的人地协调观。使学生真正“学习对生活有用的地理”,发挥地理学科能力在实践中的作用。

(二)启示

地球运动及其产生的地理意义是高考地理考查的重点和难点,要求学生对地球运动与相关现象有深刻的理解和思维过程,因此在学习本章节时需要激发学生的兴趣和引导学生善于发现与之相关的生活现象,运用所学知识进行分析和思考地理问题,并应用于解决实际情境中的时间、日影和光线等地理问题。本文通过解析地球运动产生的时间、日影和光线相关高考试题与模拟试题,总结知识的理解方法与技巧,帮助学生更好地形成空间思维。教师需要更多地思考如何循序渐进地培养学生应对地球运动的考查方式的变化所具备的地理综合能力与核心素养,在教学实践中要善于引导学生留心观察生活中地球运动带来的现象,从而培养学生热爱生活和积极向上的心态,促进身心健康发展。