APP下载

关于地方时6时太阳方位的讨论

2024-03-06钟华汪为青严佳楠

地理教育 2024年3期
关键词:指向方位试题

钟华 汪为青 严佳楠

摘 要:2023年山东高考地理卷的地球运动试题中关于太阳正东方位对应时间的话题引起热议。本文首先对该组试题进行详解与评析,然后对“地方时6时太阳位于正东方位”观点進行质疑、验证,并进行原理剖析,总结出地方时6时太阳方位规律和太阳正东方位的时间规律。最后,针对典型谬误试题进行纠错,并提出了教学建议。

关键词:地方时6时;太阳方位;地球运动;高考试题

中图分类号:G633.55       文献标识码:A       文章编号:1005-5207(2024)03-0042-05

一、试题呈现

(2023年山东卷)某文化广场(37°N,105°E)上的十二生肖石像均匀排列成圆形,生肖鼠位于正北方,小明在圆中心竖立一根细杆,以观察太阳周日视运动变化。图1示意夏至日两个时刻的杆影指向。据此完成下题。

1.该地夏至日地方时16:00时,杆影指向

A.生肖虎            B.生肖虎与兔之间

C.生肖兔            D.生肖兔与龙之间

2.11月至次年2月,一日内被杆影指向的生肖石像个数最多为

A.5个           B.6个           C.7个           D.8个

参考答案:1.D   2.A

二、试题解读与评析

1.试题解读

第1题,已知信息是北京时间9:20杆影指向正西,当地为105°E,换算成地方时为8:20。下午杆影指向正东时,是地方时几点?可以用对称法,日出时间与日落时间关于正午(地方时12时)对称,杆影指向正西与正东的地方时也是关于正午对称的,由此可算出杆影正东的地方时为15:40。20分钟后的16:00,太阳往西偏北移动,杆影应向龙的方向(东南方)移动,所以地方时16:00杆影应位于生肖兔与龙之间,选D。

第2题,春秋分时,日出指向正西,日落指向正东,正午指向正北,理论上,一日内经过7个石像。对北半球北回归线以北地区而言,杆影一日内扫过的角度值,冬至日最小,小于180°;夏至日最大,大于180°。由太阳视运动的对称性原理可知,冬至日日出(落)杆影与夏至日日出(落)杆影关于正西(东)对称,故冬至日日出杆影指向生肖狗,冬至日日落杆影指向生肖虎,冬至当天杆影扫过5个石像。又因11月至次年2月,日出东南,日落西南,杆影无法指向生肖鸡和兔,综上,最多和最少的石像个数都是5个,应选A。

2.试题评析

本组题以文化广场生肖石像的杆影为情境,以太阳周日视运动和杆影移动为内容,考查地球自转、公转相关知识和学生读图能力。第1题以“夏至日北京时间9:20杆影指向正西”为线索,求地方时16:00杆影指向,需要学生进行当地(105°E)地方时与北京时间之间的换算,还需要学生熟练运用对称法来推理下午太阳位于正西的时间,从而得出地方时16:00杆影指向,整个推理过程要求学生有一定的逻辑推理能力和扎实的地球运动基础知识。第2题进一步将时间线外延,不局限于某日,而是11月至次年2月,考查地球公转、太阳直射点移动以及对应的杆影移动,要求学生具备不同时间尺度(日与月)下太阳视运动、杆影移动的空间思维能力。

整组题难度适中,区分度好,是非常成功的高考地球运动试题,具有以下特点:①注重生活化的情境构建,顺应了新课标[1]的建议。文化广场的十二生肖石像其实就是“太阳历广场”,具有类似日晷的功能,该题属生活情境类试题。生活情境类试题一方面使学生更易、更快进入题目营造的情境,另一方面也引导学生在生活中主动发现地理现象,并从地理视角解释该地理现象。②试题注重考查地理原理与过程。兼顾了地球自转与公转、时间换算与空间思维、静态杆影与动态杆影,很好地将上述三组概念结合在一起,有效考查学生在地球运动知识框架下的时空思维。③命题依据事实,科学严谨。多款软件可支持本组题的题设情境与结论,下文将重点讨论“地方时6时太阳方位”问题。

三、质疑与验证

本组山东高考地理试题公布后,很快有地理教师提出质疑:“地方时6时太阳应该在正东方位,为何题中是地方时8:20?是不是题目本身有问题?”诚然,很多中学地理教辅书籍均有“地方时6时太阳在正东,18时太阳在正西”的表述,甚至有教学论文[2]也有相同的表述,因此,很多地理教师也认同这样的结论(图2),因为它简单、对称,有秩序感,且与“太阳从正东(6时)到正南(12时)所花费时间刚好6个小时,即90°/6h,15°/h”完美对应。那么,同一地点的任意日期,地方时6时太阳到底在不在正东?我们用实践观测活动和软件模拟的方法来求证。

笔者曾做过杆影观测实践活动,2022年8月8日,笔者在浙江省绍兴市上虞区(30°01′N,120°52′E)做铅笔杆影观测,用指南针和地图软件确定基本方位,北京时间6时03分29秒(即地方时6时)拍摄图3照片。图3表明该日地方时6时的杆影并非正西,而是西偏南约15°,指示太阳此刻在东偏北15°,实践活动证明地方时6时太阳方位不在正东。

具有高精准度的天文软件(网页)可以有效模拟地球自转与公转、太阳视运动,甚至可以达到比较高的仿真水平,如Stellarium、Sunrisecn(小黄鸭)、香港天文台网站等。为方便比较,笔者用上述三个软件分别模拟不同日期6时甲地(37°N,120°E)的太阳方位情况,由于该地经度为120°,故地方时即为区时。

图4为Sunrisecn(小黄鸭)模拟12月22日6时太阳方位,由于是冬半年,故太阳在地平线以下,由软件界面可知,6时太阳方位为东偏南;图5为Stellarium模擬6月21日6时太阳方位,图中显示太阳在正东的左侧,方位为东偏北;图6为香港天文台[3]模拟8月8日6时太阳方位,图中太阳位于东偏北方位。

另外,汪和平[4]、汪冬秀[5]、王若丹[6]、钟华[7]等人在这个问题上进行过数学论证和实验探索,有详细的分析过程,一致支持“地方时6时太阳不在正东,18时不在正西(春秋分除外)”的结论。综上所述,根据杆影观测实践、软件验证和查阅论文等步骤,“地方时6时太阳方位”疑惑迎刃而解,此次山东卷的地球运动试题是科学严谨的,对过去错误观点有拨乱反正的作用。

四、原理剖析

太阳在天空中划过的轨迹是当地昼弧的外延,其行进速度等同于地球自转角速度,这种太阳视运动隶属于天球赤道坐标系统(图7)。而太阳的方位角和高度角则隶属于另一个坐标系统——地平坐标系统(图8),赤道坐标系统与地平坐标系统不能等同。诸多地理教师将太阳的方位变化等同于太阳在天空中的移动,这是产生“地方时6时太阳在正东”“每小时太阳方位变化15°”等经典谬误的根源。实际上,应该是太阳在天空中的运动既导致了太阳的方位变化,也导致了太阳的高度变化,这两者的变化都是不均匀的。

图7和图8中的4个太阳位置(A、B、C、D)时间间隔t是相等的,图8中这4个位置投影到地平面的方位分别为A′、B′、C′、D′,后者的方位角度间隔(φ、δ、γ)是不相等的,且从φ到γ呈增加趋势。图9为Stellarium模拟7月1日浙江某地地方时6时到8时太阳轨迹图,是对图8进行地面观察视角的转绘,图中可知6时—7时—8时的时间间隔为1小时,角度间隔对应15°,但方位变化角λ1、λ2则远小于15°。从日出到日落,太阳的方位变化总是先变快后变慢(南北极点除外),正午附近最快。在北半球夏半年,日出东北方后,要花很长时间太阳才会到正东,地方时6时到达不了正东,图9显示地方时8时太阳仍在东北方。表1显示夏至日北半球不同纬度地方时6时太阳方位角,由表1可知,越往低纬6时太阳方位离正东越远,越往高纬则接近正东。

对于同一地点而言,不同季节(日期)6时太阳方位也有差异,表2记录了此地点(10°N,120°E)全年不同日期的太阳方位角。

表2显示夏至与冬至附近日期的6时太阳均远离90°(正东),而春秋分附近日期则接近正东。若以45°N为例(图10,Stellarium模拟),全年6时太阳在东偏北的时段为3月17日至9月18日附近,在东偏南的时段为9月18日至3月17日(在地平线以下)。南半球同理,3月17日至9月18日附近,太阳在东偏北,但位于地平线以下,反之则相反。之所以不是以春秋分日为界线,是因为还有真太阳时与平太阳时的均时差存在,但影响不大。

总结:①北半球夏半年6时太阳位于东北方,冬半年位于东南方(地下)。南半球夏半年6时太阳位于东南方,冬半年位于东北方(地下)。②全年太阳在正东的时间介于0~12时之间(包含地下),夏半年太阳在正东的时间介于6~12时之间。③纬度越低,且太阳直射点越接近回归线,则太阳在正东的时间越接近12时。④赤道至北回归线区域,若太阳直射点位于该地以北,则太阳不会出现在正东,也就没有正东时间;同理,赤道至南回归线区域,若太阳直射点在该地以南,则太阳也不会出现在正东。

五、纠错示例

例1.图11显示的是某楼盘的方位,某日该楼南面阳台太阳照射的时长为9小时40分(无其他物体遮挡)。该地该日昼长约为

A. 9小时40分          B. 10小时40分

C. 12小时40分        D. 13小时40分

参考答案:C

试题解析:根据题图作辅助线(图12),可知太阳光线与南阳台平行时(即刚开始照射南阳台时)太阳方位为东偏南40°。由于太阳在正东时地方时为6时,太阳从正东到东偏南40°耗时2小时40分(地球自转速度为15°/h),所以太阳刚照射南阳台时间为地方时8时40分,又因为南阳台总照射时长为9小时40分,故日落时间为8时40分+9小时40分=18时20分,则下午时长为18:20-12:00=6小时20分,则昼长为6小时20分×2=12小时40分,故选C。

纠错:此题在设定上有三重错误。其一,太阳在正东方位的时间默认为6时,这是中学地理师生最易犯的错误,事实上太阳在正东的时间因纬度、日期而变化;其二,太阳由正东运行到东偏南耗时2小时40分是根据太阳方位变化40°推导出来的,事实上太阳方位变化速度不是定值,不等同于太阳轨迹角度变化速度(即地球自转角速度);其三,日落时间也不能直接由两个时间相加得到,因为太阳很可能在西偏北40°以北落山,也就是日落方位也是未知的,不能推导出日落时间。由此,本题在多项地球运动原理上均踩雷,是一道无解之题。

例2. 图13为安徽平原地区某中学的操场和行道树示意图 (晴天 8: 00 前后,东操场大部分被行道树的树荫覆盖)。为充分利用树荫遮阳,6 月某日 16:00至16:45 该校某班同学上体育课的最佳场地是

A. ①         B. ②          C. ③         D. ④

参考答案:A

试题解析:6月的安徽,太阳东北升、西北落,太阳正东时间为地方时6时,太阳正西时间为18时,由于安徽在120°E附近,故地方时与北京时间近似。下午16: 00至16: 45还未到18时,故太阳仍在西南方,行道树影子朝向东北,①场地的遮阴面积更大,故选A。

纠错:此题同样犯了“地方时18时太阳在正西”的经典谬误,经软件模拟,以合肥为例,6月1日太阳位于正西的时间为15:29,6月22日至30日为15:18附近,由此可知16:00至16:45时间段太阳位于西偏北,与题目预设相左。

六、教学建议

中学地理界各类辅导资料、模拟试题仍以“地方时6时太阳在正东,18时太阳在正西”作为命题思路和解题的隐含条件,且诸多地理教师也以此作为地球运动的“规律”,在新课讲授和习题讲解中对学生进行灌输,求精简而罔顾科学与事实。在大力倡导新课标理念、大力推行新课程教学的今天,在各类精准天文软件涌现的新形势下,上述现象依然存在是令人遗憾的。这是不少地理教师对大学基础课程“地球概论”天球系统理论的遗忘所留下的“后遗症”。针对以上情况,笔者提出以下几点建议。

1.夯实地球运动理论基础

地球运动错题的出现和流行,主要原因是诸多地理教师对地球运动知识掌握不系统,思维建构零散,很容易“想当然”。故地理教师需要再次审视自己在地球运动章节的理解程度,按情况弥补不足,途径有很多,如再次深入学习“地球概论”课程,借助网络视频学习和向同行专家请教等。只有具备较高的地球运动理论水平,才能自信从容地进行地球运动教学,解答相关试题时方能做到游刃有余。

2.敢于质疑试题的科学性

中学地理关于地球运动的试题良莠不齐,地理教师要善于发现试题中的错误、瑕疵,敢于质疑试题的科学性,而不是为了维护参考答案而打圆场、硬解釋。同时,也鼓励学生质疑试题,培养他们的辩证思维和求真务实的科学精神。质疑是钻研的开端,是走向进步的第一步,也是教师成长的必经之路。

3.多渠道验证答案的正误

产生质疑之后,就应想方设法对答案与猜想加以验证,如设计实验、操作软件模拟、查询权威著作和专业论文,方案和途径越多越有说服力,最后在比较中得出结论,形成“质疑—验证—解疑”的闭环。同时,在上述验证过程中也能不断积累疑难问题的研究范式,提高教师自身教研水平;当然也应鼓励学生参与其中,可通过设计有针对性的实验去验证事实,提升学生的地理实践力。

4.做正确理论的推广者

经过多渠道验证的正确结论、理论应当得到推广,如“太阳直射点纬向移动速度不均匀”“太阳的方位变化速度差异巨大,不是15°/h”等。一线地理教师应抵制“谬误”试题,自行命题时也要进行细致的模拟验证,力求精准,不要“想当然”捏造伪命题、假情境,积极做正确理论的推广者,为地理教学的科学性添砖加瓦。

参考文献:

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中地理课程标准(2017 年版2020年修订)[M].北京:人民教育出版社,2020.

[2] 潘爱娟.借助专题研习,提升学生空间思维与地理实践力——以“日影”专题研习为例[J].地理教学,2019(8):53-54,12.

[3] 香港天文台.互动版太阳路径图[EB/OL].(2022-07-18)[2023-07-02].https://www.hko.gov.hk/sc/gts/astronomy/SunPathDay3_ue.htm.

[4] 汪和平,吕晨亮.太阳位于正东方位的数学分析与太阳视运动仪演示[J].中国教育技术装备,2019(11):86-87,90.

[5] 汪冬秀,李斌,陈伟.地方时6时,太阳位于正东?——一次日影观测实验引发的反思[J].地理教学,2020(22):41-43.

[6] 王若丹.基于地理实践力培养的日影观测实验设计与实施[J].地理教育,2022(S1):48-50.

[7] 钟华,黄海波.基于Google Earth的真实地理问题探析——以“摩天轮与太阳轨迹试题”为例[J].地理教育,2021(9):37-40.

猜你喜欢

指向方位试题
2021年高考数学模拟试题(四)
认方位
科学备考新指向——不等式选讲篇
2019年高考数学模拟试题(五)
《陈涉世家》初三复习试题
2019届高考数学模拟试题(二)
把准方向盘 握紧指向灯 走好创新路
借助方位法的拆字
说方位
基于TMS320C6678的SAR方位向预滤波器的并行实现