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自制中学实验操作型经纬测量仪

2017-03-27杜志军

新课程·中旬 2017年1期
关键词:自制经纬度测量仪

杜志军

摘 要:经纬度的理论在初高中都有相应的涉及,却无经纬度测量的方法和实验要求。学生对于掌握抽象的纯理论知识兴趣不大,因此,利用相关经纬度测量的理论带领学生自制经纬度测量仪,将理论联系实际,提升学习的兴趣。测量仪侧重于理论的验证和实践操作,可运用于北半球大部分地区当地经纬度的简单测量。就自制中学实验操作型经纬测量仪进行分析,并在实践操作过程中不断反思和改进。

关键词:经纬度;测量仪;操作;自制

一、研究背景

应试压力和素质教育的矛盾使很多一线教师充满无奈。虽然,课本中有着众多的“活动”“案例”“读图思考”等来提升学生的知识技能,但在学生动手实践的安排上却比较缺乏。而实际上高中课本中的很多地理现象、地理原理、地理过程的实践、实验都可以通过教师的“信手拈来”来实现,例如,制作经纬度测量仪(下文简称测量仪)。

二、理论基础

1.纬度测量的相关理论

利用北半球当地纬度与北极星之间的关系,即北半球当地地理纬度等于当地北极星的仰角。如图1,从而可以利用测得的当地北极星的仰角来确定当地纬度。

2.经纬测量的相关理论

(1)一天中影子的变化规律

一天之中,太阳东升西落,影子日出时向西,日落时向东,一天中影子的长短和方位关于当地正午影子对称,且当地正午影长为一天最短。因此,可以通过正午前后的相等长度的2个时刻的影子计算出正午影子出现的当地地方时。

(2)地方时的计算

在地球上经度相差15°,时间相差一个小时,即经度相差1°,时间相差4分钟。可以以此为基础,利用之前得出的正午最短影子出现的时间和某个参照经度的时间(如北京时间为120°E的地方时)来计算出当地的经度。

三、实验仪器的制作

测量仪的制作采取了最为简单的结构、最为理想的制作方式、可操作性强的标准。测量仪由标杆、皮尺、教学用圆规、指南针组成。

1.标杆的制作

测量仪的主体部分为标杆。标杆设計为利用2截长60 cm的废弃方形钢管来制作,钢管并排焊接,留出2 cm的中缝(测纬度时将北极星置于中缝中),在钢管底部加焊一根长30cm可用于固定在地表的旧钢筋,在标杆顶部安装一个指南针,整根标杆长约90 cm。

2.北极星仰角刻度的刻画

将量角器放大,并将刻度画在一张足够大的白色纸上。将制作好的标杆垂直放置于画好的量角器0°刻线上,此时可以得出量角器上各刻度与标杆的相对位置,从而画出标杆上可用于测量仰角的角度。具体操作时,先画出标杆左边钢管上的刻度,在利用两根钢管对称的关系将左侧钢管上的刻度导致右侧钢管,且右侧钢管采用荧光笔画刻度,有利于夜间观测。而由于标杆离量角器原点的距离不同将影响到标杆上刻度的分布,因此,在刻画刻度时我们将标杆与量角器原点的距离设定为30 cm。如图2:

四、实验操作

1.纬度测量

将标杆垂直放置于地面,利用指南针找出北方,将圆规的一个脚对其标杆底部,并水平,另一只脚指向北方,找出北极星,将北极星置于标杆中缝,即可量出北极星的仰角,确定当地纬度。

2.经度计算

在北京时间12点前将标杆垂直放置于地面,确定出此时的影子及长度,记下北京时间。利用该影长在标杆的有影子的一侧画出一条圆弧,当标杆影子再次落在圆弧上时,记下此时北京时间。先后记录的两个北京时间可以推算出当地正午12点时北京时间。利用两个时间差计算出经度差,从而推算出当地经度。

五、实验操作反馈及测量仪的改进

教师及学生在实验过程中发现了一些问题。一是该实验的精度有限;二是可测得的纬度范围有限,且只能测算北半球;三是实验仪器的制作还是比较麻烦,不够简易;四是圆规一脚的水平不好确定,导致测得的纬度存在误差。

经过一段时间的研究和讨论,我们将测量仪进行了较大幅度改进。首先,不再将量角器的刻度刻画于标杆上,而是利用广告喷绘技术将刻度绘制在长条形纸上形成刻度表。实验操作时可将该刻度表贴在标杆上,同时可以根据实验需求的不同喷绘不同量角器与标杆距离的刻度表。其次,不再利用圆规来寻找测量纬度。而是利用一段绳子代替圆规,绳上刻画出不同长度的刻度。最后,由于刻度表的出现和绳子代替了圆规,对于标杆的要求也进一步降低,我们直接利用用来测量纬度的绳子作为标杆。

实验操作时将绳子弯折成三角形,测量时,将刻度表贴在绳子垂直的一条边上,与之连接的一边水平放置,第三条边用来寻找和确定北极星的仰角。而在测量经度时也是将绳子分成两段,一段垂直于地面代替原来的标杆,另一段用来确定影长和画出圆弧。

最终,我们的测量仪由绳子、刻度表、指南针组成。构成简单、操作简便、适用性较强成为改进后的测量仪的突出特点。当然,由于教师个人能力和技术的限制,无法制作形成高精度的测量仪,但却也能很好地用于教学,对提高学生学习兴趣和提升动手实践能力有较大的帮助。

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