当前位置:查字典地理网 >地理学习 >学习方法 >利用正午太阳光线测算某地纬度
【过程设计】
1.原理
利用二分二至日,太阳光分别直射在赤道、南北回归线上的特殊情况,用简单的量具测量本地纬度。
若我们将阳光当成平行光,阳光通过大气出现的折射忽略不计,通过地轴的地球截面又可以视作圆形,则分别可以得到下列情况:
(1) 春分和秋分日
在这两天,阳光都直射赤道(如图1)。由于各地的纬度近似为该地向地心所作的连线与赤道平面的夹角,即为图1中的角,所以不难得出:所在地的阳光与水平面的夹角和纬度之间有:=90°-公式①
(2) 夏至日
在这天,阳光直射在北回归线上(如图2),即直射北半球=23°26′的纬度上。由几何学知识可知,北回归线以北各地的纬度等于回归线纬度与各地阳光与重垂线的夹角(90°-)之和:
=+(90°-) 公式②
而北回归线以南各地的纬度为两者之差,如图3,
即:=-(90°-) 公式③
(3) 冬至日
在这一天,阳光直射在南回归线上(如图4)。同样可以得到各地纬度等于该地阳光与重垂线之间的夹间(90°-)与回归线纬度之差,即:=(90°-)- 公式④
这样,我们只要在这4日中任意一天的正午,测试阳光与水平面之间的夹角,就能依据上述4式之一算出某地的纬度。
2.仪器准备
鉴于课外监测的精度要求不高,我们可以在课余自制一些简单设备:
(1)自制盒式测倾器。取硬纸壳烟盒(或香皂包装盒)两个,一只作为外盒,一只作为内盒。在内盒一个外侧贴上一硬纸片A作光屏,在外盒的一个上侧面贴上两张有小洞的硬纸片B、C,其大小相同,都弯成90°用双面胶粘住,如图5所示。再在外盒的外表面,贴上一张用量角器画好角度数1/4圆的刻度纸,并使互相垂直的两条刻度线与外盒的相邻两条棱边平行。在刻度纸圆心o上垂直纸面插一根大头针E,并穿过盒子的另外一面,使之固定。最后在E上悬挂一根栓有小重物(如小铁珠)G的细线,这样盒式测倾器便做成了。
(2)自制板式测倾器。取10×20平方厘米大小的一块木板或者纤维板,在板面上画或贴上同(1)中要求的以度等分1/4圆周的刻度或刻度板,再取两颗细钉,一颗钉在平行于长棱边的刻度线上,另外一颗钉在圆心o上,并在钉上挂一根系有小铁珠的细线,见图6。用这样制成的板式测倾器测量得到的结果可更准确些。
(3)普通量具。卷尺、大三角板、超过二米的直杆、重垂线和水银水平尺等。
3.测量
选择上述4个节气中的任何一个(如秋分日)正午(前提是天气睛朗),便可以用下面的方法进行简单测量。
(1)用测倾器。若用盒式测倾器,先调节硬壳烟盒使阳光穿过C、B纸片上的小孔,在A屏上出现光斑,再使重垂线刻度纸都处在同一竖平面中,此时重垂线所示角度为a。若使用纸板测倾器,方法相同,只要把圆心上钉子的影子遮住另外一只钉子就行了。
(2)用普通量具。
①室内测量:通常取朝南开的窗或门,让阳光射人室内,用卷尺等量得门高或窗台高为y,再量得门基到地面阳光的尽头的距离为x,如图7(或量得窗基到地面初露处的距离为x,如图8),由于门窗都垂直于地面,因此,所求的角为arctg(y/x)。
②室外测量:把一根带有重垂线的直杆插在经过水银水平尺检测过的平地上,让杆与重垂线重合,并使杆与地面垂直(图9),同样测得杆高y和地面影子长x。再用手指指在杆上离地1米等不同位置,同样可量得指高y′及相应的指高的影子长x′。移动手指的位置,可得到多组指高与影子长的比值,取其平均值来计算出角。
4.示例
笔者曾在过去两年的秋分日,在刚学完“地球的公转”后,组织学生用上述方法进行了学校纬度简测。两个班级分别把测到的结果平均值代入公式①,得出测试地纬度约为31°18′,这与学生查阅有关资料和用GPS仪等测试结果31°16′04″差距不大。可见,学生用此类简易办法测到的结果还是基本准确的。
5.拓展
(1)是否可以设计更多有效的测试当地纬度的简易工具或办法,并通过测试比较它们的精度;
(2)讨论提高制作的简易测量工具精度的办法(3)尝试制作简易的日晷,对本地太阳高度的变化规律进行深入研究。
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