张明强 程琦 王娟

摘  要  地球的运动属于中学地理新教材“选择性必修1”的第一单元内容，既是难点也是重点，要求学生具备较强的时空想象和计算能力。在本单元教学过程中，笔者尝试指导学生制作太阳视运动简易模型，把生活中的现象通过模型生动呈现，引导学生观察、记录、分析，并在此过程中帮助学生提高动手能力，加深对地球运动相关知识点的理解。

关键词  太阳视运动；正午太阳高度；太阳视运动简易

模型

中图分类号：G633.55    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2023）05-0052-04

1  太阳周日视运动轨迹分析

地球自西向东的自转过程中，如图1所示，对地球上的观测者而言，地外的天体日月星辰都以相反的方向和相同的周期旋转，其中最典型的就是太阳的周日视运动。图1中线a、b、c分别是夏至日、春秋分日、冬至日太阳直射点轨迹在地心天球上的投影[1]。

如果以北温带上的观测者A点为中心建立天球，如图2所示，观测者正上方为天顶B。以所在地平圈CAD为切平面，把天球分为日半球和夜半球。线a、b、c被分割为白天和夜晚部分，白天部分就是在A点观察到的太阳周日视运动轨迹。

图3是为了符合认知习惯，把图2旋转，地平圈呈现水平姿态，天顶处于正上方。图4把太阳视运动轨迹转换为立体图，图中能清晰观察到分为上下半天的运动轨迹、日出日落方位，以及不同季节太阳轨迹的变化[2]。

2  太阳视运动简易模型制作

2.1  设计原理

用透明塑料球模拟天球、移动灯带模拟太阳移动轨迹、白色塑料板模拟地平圈，利用塑料球内的水面自动找平原理，快速显示任意纬度的二分二至日太阳视运动轨迹，并观测太阳高度、方位和昼长。

2.2  材料准备

两个直径30 cm透明硬质塑料半球、长300 cm移动式灯带、3个灯带速度调节器、白色塑料板、长100 cm柔性圆管、胶水、贴纸、约7升淡水、墨水、小型人偶，以及圆规、量角器、软尺、剪刀、马克笔等若干工具。

2.3  加工制作

1）地平圈：把白色塑料板剪成直径29 cm的圆形，在圆形边缘用量角器标记方位刻度，粘贴带有方位的贴纸，然后在南、北两个方位位置穿孔，孔径比柔性圆管直径稍微大一些，地平圈需要制作两个，分别模拟以南、北半球观测者为中心的地

平圈。

2）观测者：在地平圈圆心位置粘贴小型人偶，将人偶分别指向地平圈的南北方向，指向正南的为北半球观测者，指向正北的为南半球观测者。

3）天球：垂直于塑料半球边缘，用马克笔在半球外壳画一大圆，在圆线上用量角器和圆规标记太阳高度并粘贴度数贴纸，把柔性圆管沿着大圆线粘贴在半球内面，两个半球都做相同处理。

4）夜半球：用约7升淡水盛满半球，然后滴入若干墨汁。

5）太阳视运动轨迹：用灯带分别环绕塑料半球的赤道位置、纬度23.5°位置，用剪刀截取一圈的长度，获得一长两短三条灯带。连接电源与速度调节器，三条灯带都设置为灯光依次闪亮，以24秒为周期。

2.4  组装成品

1）把两个地平圈如图5摆放，以接触点为中心，翻转后将背面黏合在一起，并要注意两个地平圈的南北方位穿孔要完全吻合。

2）将滴入墨汁的淡水缓慢加入半球，直至漂浮在上面的白色塑料板正好与半球边缘齐平，白色塑料板在放置的时候，南、北两个方位的穿孔要套在柔性圆管上，如图6所示。

3）将另一个塑料半球合在夜半球上面，组成一个完整的球体，用胶水密封。

4）将三条灯带分别粘贴在球体的赤道位置、南北纬度23.5°位置，如图7所示，为了方便测量计算，灯带起始位置都处于夜半球的子夜位置，三条灯带和速度调节器以并联方式联结，方便各自调节闪亮速度。

5）转动球体，观察三条灯带是否平行于地表，并在球体最上方粘贴北天极标识。

根据以上步骤，即可完成太阳视运动简易模型的制作，整体效果如图8所示。

2.5  操作方法

1）接上电源，三条灯带闪亮，将模型竖直放置，北天极处于正上方。

2）如果要测量北半球纬度为n的地区二分二至日太阳视运动轨迹，依据高度刻度线，把模型向着正北方向顺时针倾斜（90-n）度。

3）地平圈平稳后，依据灯带与太阳方位刻度线、高度刻度线的交点数值，读出二分二至日的日出日落方位，以及正午太阳高度。

4）灯带依次亮起的周期设定为24秒，相当于太阳在周日视运动轨迹中，隔一小时改变一次位置，结合刻度可以估计二分二至日整时的太阳高度和

方位。

5）如果要观测南半球某地的二分二至日太阳轨迹，只需把模型倒转过来，北天极处于正下方，墨水通过地平圈与天球间的空隙流入另一半球，等墨水转换半球完毕且地平圈稳定后，操作观测方法同北半球。

3  实地应用与测试

3.1  引导学生对模型进行操作和观察

1）操作模型顺时针方向旋转的过程，相当于北半球观测者不断从高纬向低纬移動，以夏至日灯带为例，太阳视运动轨迹从与地平圈平行到相切、相交，最后与地平圈垂直，昼长时间从极昼缩小到12小时。正午太阳高度先变大再变小，北回归线地区达到90°，日出日落方位大致由北向南移动。

2）当观察者正好位于北极点时，模型竖直放置，三条灯带平行于地平圈，表明极点位置太阳视运动轨迹都与地平圈平行，春秋分日太阳环绕地平圈一周，夏至日太阳也始终在天空中转圈且保持高度角不变。冬至日太阳在地平面以下转圈，北极地区出现极夜[3]。

3）当观察者位于赤道地区时，模型横放，三条灯带垂直于地平圈，学生总结规律如表1所示。

4）笔者所在学校位于安徽淮北地区，其经纬度坐标为（33°N，116°E），引导学生以本地作为北温带代表进行观测，并把测量值与理论值相比较，验证模型的精确度，如表2所示。模型中灯带依次亮起可以模拟一天中太阳位置的变换，以夏至日为例，观测内容如表3所示。

3.2  总结规律

从表中数据可以获悉，对于北温带地区来说，从夏至日经秋分日到冬至日，随着太阳直射点不断向南移动，昼长时间缩短，日出、日落方位逐渐向南移动，正午太阳高度越来越小，每天的日出偏角等于日落偏角，且太阳视运动轨迹以正午时间为界，以南北方向为轴作对称分布[4]。

模型倒转可以观测南半球各地的太阳视运动轨迹，从全球范围来看，除极昼极夜区，夏至日各地都是日出东北、日落西北，北半球太阳轨迹长于南半球，正午太阳高度大于南半球，冬至日各地都是日出东南、日落西南，北半球太阳轨迹短于南半球，正午太阳高度小于南半球。

4  模型评价

4.1  优点

1）材料简单，笔者在制作模型的过程中，除了灯带和速度调节器来自网购，其他材料都来自身边普通物品，有利于模型的推广和方便学生自己动手制作。

2）本模型形象直观生动，“天球”“地平圈”

“观察者”“太阳轨迹”的表达一目了然，方便学生理解。

3）模型的构思是笔者在这部分知识的教学过程中逐渐形成的，模型的不同部位基于不同的知识点，有利于教师由浅入深地分段教学。

4）操作方便，由于水面的自动找平原理，模型不需要根据观测位置的不同反复调节，这是本模型表现最优秀的地方。

4.2  缺陷與改进建议

1）模型简单易操作的缺陷就是容易产生误差。一是球体形状不稳定，学生手扶模型长时间读数过程中，手的不稳定使读数发生偏差。二是灯带存在一定的宽度，给读数造成困难。

后期可以制作一个槽型底座，模型在调整后再小心放入底座，加强其稳定性。在灯带的中央位置画一条细线，作为读数的参考线，可以把误差控制在合理范围内。

2）观测时间受限，只能观测二分二至日的太阳视运动轨迹。

依据太阳直射点的纬度变化速度，计算得出非二分二至日的太阳直射点位置，用马克笔在模型外壳增画一条太阳轨迹线，可以解决观测时间受限

问题。

5  参考文献

[1] 张树宏，汪和平.运用太阳视运动仪  突破地球运动难

点[J].中学地理教学参考，2019（4）：51-53.

[2] 汪和平.太阳视运动仪的原理、结构、功能及应用[J].

中国教育技术装备，2016（13）：44-47.

[3] 杨思窍，林华，陈诗吉.太阳视运动观测仪的制作及其

教学应用[J].地理教学，2013（1）：16-18.

[4] 王安周.太阳周日视运动轨迹的绘制及计算[J].地理教

学，2016（10）：56-57.