自制太阳周日视运动仪，助力地理实践力养成

孙 瑞

（浙江省瑞安中学, 浙江 温州 325200）

一、引言

新教材非常注重锻炼和培养学生的地理实践力，在教科书的活动题中精心设计了实验模拟、实地观测等实践活动。例如湘教版选择性必修1《自然地理基础》第一章第一节“地球的自转”设计了太阳日与恒星日模拟实验、昼夜交替模拟实验和观日影估算经度三个实践活动，在湘教版选择性必修1《自然地理基础》第一章第二节“地球的公转”设计了简易测量学校太阳高度实践、昼夜长短变化模拟实验两个活动。或许考虑到实验器材不完善，对学生来说理解难度较大、综合性较强的太阳周日视运动，教材并未设计观测实践活动。笔者自制太阳周日视运动仪尝试填补这块空白，通过仪器学生可以直观感知太阳在天球的位置，测出各时太阳高度及方位具体数值，提高学生的方位感，增进学生对太阳周日视运动的认识，强化学生的地理实践力。

地球运动一直是学习难点，其中一个重要原因是学生缺乏观测实践，空间思维较弱。由于空间思维偏弱，学生很难准确地在脑中构建三维天球模型。由于传统教学方式停留在用“二维”的黑板描画“三维”的运动，学生难以对太阳周日视运动形成“三维”立体的理解，也不能达到新课程对落实地理实践力的要求。基于上述考虑，笔者自制太阳周日视运动仪，学生通过使用该仪器进行观测可以加深方位的认识、提高学生对太阳运动的“三维”空间的认知、锻炼学生的天体观测能力，最终深度培养学生的地理实践力。

二、设计原则

1.科学性

教具是验证原理、获取知识的重要工具，教具设计必须科学严谨，必须符合新课标的要求和日常教学的需求。教具并非玩具，应重点突出科学性而非趣味性。教具原理必须有充分的科学依据，能够反映真实客观规律。比如，太阳高度一般是相对于水平地面的高度角，考虑观测地可能存在一定坡度，所以观测者需要对仪器进行调平，使水平泡位于中央，确保测量在一个水平面上进行。

2.经济性、实用性

应尽量选取简单易得的材料或可循环利用的材料以降低成本，同时顾及教具的耐用性、直观性。教具结构应当简单，使用应当便利，呈现结果应当直观。

3.创新性

设计者在设计思路、使用工具或选取材料等方面进行跨学科思考，打破学科边界，继承前人经验，融合现代科技，才能制做出具有创新性的教具。笔者自制的太阳周日视运动仪运用了地理学科知识和物理学科知识，利用地平式日晷的基本原理，借鉴古人智慧，融合现代传感器技术，提高教具的创新性与精确性。

三、仪器制作

1.器材

主要器材有：①水平台、②方位圆板、③白板笔、④带指针的亚克力天球、⑤太阳方位角度测量仪（见图1）。

图1 器材示意图（1）

太阳方位角度测量仪由精度可调节光敏传感器、旋转底座、角度测量尺等组成（见图2）。

图2 器材示意图（2）

精度可调节光敏传感器构成：光敏电阻（检测有无太阳光）、旋转变阻器（调节电阻大小，控制仪器精度）、蜂鸣报警器、带孔笔杆（选用黑色带孔笔杆，确保光线垂直进入，排除光线散射反射干扰）、电池、导线等（见图3）。

图3 器材示意图（3）

精度可调节光敏传感器的工作原理与操作方法如下。

（1）太阳光通过笔杆上端的小孔，垂直照射到笔杆底端光敏电阻。

（2）光敏电阻：接受光照后，电阻阻值变小，让电流通过。光照越强，电阻越小，通过电流越大。

（3）蜂鸣报警器：电流达到阈值后发出蜂鸣警报。

（4）旋转变阻器：通过旋钮调节电阻大小，调节电路电流大小，提高仪器灵敏度，确保只在太阳光垂直进入笔杆的方位，电流刚好达到蜂鸣器警报阈值。

2.使用步骤

步骤一：水平台放置于观测点后，调节水平，微调螺丝，使得水平泡刚好位于中央。

步骤二：将方位圆板放置在水平台上，使用指南针调节方位，使圆板0度刻标指向正北，180度刻标指向正南（见图4）。

图4 方位调节示意图

步骤三：将太阳方位角度测量仪放置于方位圆板中央，左右调节旋转底座，上下调节角度测量尺，调节变阻器，当蜂鸣器仅在一个方位达到阈值发出警报声时，进行读数（见图5）。在角度测量尺上读出太阳高度角，在方位圆板上读出太阳方位角，将数据填入观测记录表（见表1）。

表1 观测记录表

步骤四：放置亚克力天球，使天球自带的指南针正南方对准方位圆板180度刻标（见图6）。

图6 天球放置示意图

步骤五：在天球笔杆小孔正对处描点，连接描点，得到太阳周日视运动曲线（见图7）。

图7 描点连线示意图

四、实操应用

学生于2022年3月9日中午至傍晚，在校园使用该仪器进行太阳周日视运动观测，并记录下12个点位信息，制作观测记录数据表（见表2）。

表2 观测记录数据表

12个点位的观测时间主要在下午，太阳下午视运动曲线用实线表示；因上午未做观测，依据太阳下午视运动曲线用对称法绘制虚线（见图8）。

图8 绘图示意图

五、观测结果分析

通过对本次观测结果的分析，学生验证了2个教科书上已呈现的规律，发现了1个新规律，生成了3个与已有知识相矛盾的疑惑，引发学生继续思考、深入探究，最终解决疑惑得出真实规律。学生在“认知矛盾—思考探索—困惑解决”过程中深度提升地理实践力（见图9）。

图9 结果分析图

1.教科书规律

(1)验证一：正午太阳高度角计算规律

查资料可知，3月9日太阳直射点在南纬4.5度左右，瑞安（北纬27.78度，东经120.62度）的正午太阳高度角根据计算公式（H=90度-|当地纬度±直射点纬度|）计算得H为57.72度。实测结果正午太阳高度约为57.6度，与计算结果相差0.12度，正午太阳高度角公式计算结果与观测结果大致吻合。

(2)验证二：日落方位规律

该日太阳直射点位于南半球，瑞安日落方位为西偏南。观察太阳视运动曲线可知，3月9日瑞安太阳日落方向为269度，即西偏南1度（见图10），日落方位规律与观测结果符合。

图10 日落方位示意图

2.新规律

发现：太阳方位变化速度与高度角变化速度规律。研究太阳周日视运动曲线，发现观测序号1、2、3、6、7、10、12位于曲线上或离曲线距离近，具备计算价值。计算观测序号1～3可知，11时50分至12时04分太阳高度变化平均速度为每分钟0.126度，太阳方位角变化平均速度为每分钟0.643度；计算观测序号6～12可知，15时20分至17时31分太阳高度变化平均速度为每分钟0.2382度，太阳方位角变化平均速度为每分钟0.1679度。综上所述，中午太阳高度变化较慢，太阳方位变化较快；下午太阳高度减小较快，太阳方位变化较慢。

3.新疑惑

(1)疑惑一：到达地面的太阳辐射强度是否在不断变化

学生：“为什么每次测量前都要扭动变阻器去调整电阻大小，这是否说明太阳辐射的强度在不断变化？”

教师：“这问题涉及到大气的削弱作用与物质组成变化，你可以调用相关知识再想想看。”

学生：“大气中物质组成随时间变化，同时太阳光到达地面穿过的路径长度每时每刻在改变，比如太阳高度越大，通过大气距离越短，被大气削弱越少，能量越集中，到达地面太阳辐射的则越强，反之则越弱，所以太阳辐射强度一天是会不断变化。”

(2)疑惑二：3月9日瑞安正午的真实时刻是北京时间几点

学生：“通过分析观测点2、3，从11点55分到12点04分太阳高度角从56度变到57.6度，瑞安经度为东经120.62度，与北京时间（东经120度地方时）有着0.62度的经度差，根据地方时计算规律，太阳高度最大值应该出现在11点57分31.2秒左右，11点55分更接近11点57分31.2秒，为什么太阳高度反而12点04分更大呢？是不是说瑞安的正午应该在北京时间11点57分31.2秒之后，那3月9日瑞安正午的真实时刻是北京时间几点。”

教师引导：“众所周知，地球自转一周为一日，而在实际情况中，地球自转一周并非是二十四小时整，二十四小时只是一个平均数，因为地球围绕太阳公转的轨道是椭圆的，所以太阳和地球的引力是不断变化的，从而引起自转一周时间的不同。但是这种不同是有规律的，所以我们除了消除与北京时间的时差，也必须将这部分误差消除，才能得出真正准确的真太阳时。那么3月9日瑞安正午的真实时刻是北京时间几点呢？”

学生：“消除的方法是参照真太阳时时差补偿表，进行时差修正，根据数据的正负进行加减。通过计算得出2022年3月9日瑞安在北京时间大约12时08分9.2秒左右达到太阳高度角最大值，即真正的正午太阳高度。同时我通过查阅虚拟天文馆发现，12点08分0秒的太阳高度比12点07分57秒和12点08分15秒大（见表3）。”

表3 太阳高度部分时段日变化表

(3)疑惑三：瑞安正午太阳高度实际值为什么比计算值偏小

学生：“借助虚拟天文馆可知12点08分0秒左右正午太阳高度达到最大，为什么虚拟天文馆显示最大的太阳高度为57度29分20.3秒（即57.52度），比算出来的正午太阳高度角H（57.72度）要小？”

教师：“我们在做计算时，为了掌握正午太阳高度角总体规律，所以将地球的形状当做正球体来处理，但地球形状实际是赤道稍鼓两极略扁，因此会有些差异。那如果考虑地球的真正形状，你觉得瑞安正午太阳高度会怎么变化？”

学生：“我画了两者的对比图（见图11），假设地球是正球体，得到瑞安此时的正午高度角是图中的∠1；如果考虑赤道稍鼓两极略扁，得到的正午太阳高度角是∠2，∠2小于∠1，所以瑞安实际正午高度角确实会小于算出来的结果。”

图11 正午太阳高度对比图

六、总结

通过自制的太阳周日视运动仪，学生观察记录了太阳高度和方位，在观测过程中学生自主动手、主动思考、积极解惑，保证了学生学习主体地位。分析观测结果时，学生既获得验证所学规律的快乐，又有发现新规律的成就感。学生在面对已知规律与实测数据产生矛盾时，生成新疑惑，并自发思考探索，在“认知矛盾—思考探索—解决困惑”中提升地理实践力。