在教學過程中發(fā)現(xiàn)學生對日出方位和時間的判斷上存在著較多的問題,學生普遍反映不好理解。下面就這一問題簡單分析如下。
一、以北半球為例
(一)選取23°26′N~66°34′N之間的任意一點為研究對象,O點為觀測者所在點,A、B、C、D所在的平面為觀測者所在的地平面,方向與生活中的實際方向相同:A為正東、B為正南、C為正西、D為正北,如圖1所示。
粗線AC弧為觀測地(O點所在地)當日的太陽視運動軌跡,A點為日出、C點為日落,兩者的太陽高度角均為0°。AC弧上除A、C點外的各點太陽高度角均大于0°。太陽視運動軌跡,是在地球自轉(zhuǎn)過程中(以太陽為參照物)觀測地被太陽照射的時間的反映,也即是當?shù)亟?jīng)歷的白晝時間──晝長。那么太陽視運動軌跡AC弧的度數(shù)和O地所在晝夜弧中的晝弧度數(shù)相當。為了觀測、研究方便,我們把太陽視運動軌跡AC弧投影到觀測點所在的地平面上,這樣太陽視運動軌跡AC弧投影在地平面上弧線ABC弧就相當于當?shù)氐臅冮L,因此我們可以把ABC弧作為觀測地的晝弧使用,ADC弧則可以相當于當?shù)氐囊够 為晝弧中點,太陽高度角最大,時間為當?shù)貢r間12時;C為夜弧中點時間為當?shù)貢r間24時(或0時)。同理,A為6時、C為18時。如圖2所示:這樣我們就把時間、方位、晝夜弧長都整合到要研究的觀測地平面中,以方便我們的觀測和討論。下面以北半球為例從春秋分(晝夜等長)、夏至或夏季(晝長夜短)、冬至或冬季(晝短夜長)三個方面進行討論。
1.春秋分
如圖3所示:此時晝夜弧等長──晝夜等長,日出點A方位為正東,時間為6時;日落點B方位為正西,時間為18時。
2.夏季或夏至
如圖4所示:相當于晝弧的ABC弧長大于180°即晝長大于12小時──晝長夜短,由圖可以看出晝弧分別由A點和B點向北擴展,結(jié)果則是日出點A方位為東北,時間為6時以前;日落點B方位為西北,時間為18時以后。具體日出、日落時間可由晝長或夜長求出,例如:已知某地晝長為14小時,求該地日出和日落時間?晝長14小時比晝夜平分時長2小時,這2小時是由晝弧變長而造成的,而晝弧的變長是上午和下午同時等量變長,也即是日出提前1小時,為5時;日落落后1小時,為19時。
3.冬季或冬至
如圖5所示:相當于晝弧的ABC弧長小于180°即晝長小于12小時──晝短夜長,由圖可以看出和春秋分時比較,晝弧分別由由A點和B點向南縮短,結(jié)果則是日出點A方位為東南,時間為6時以后;日落點B方位為西南,時間為18時以前。具體日出、日落時間與夏至或夏季一樣可由晝長或夜長求出,例如:已知某地晝長為8小時,求該地日出和日落時間?晝長8小時比晝夜平分時短4小時,這4小時是由晝弧變短而造成的,而晝弧的變短是上午和下午同時等量變短,也即是日出落后2小時,為8時;日落提前2小時,為16時。
(二)0°~23°26′N之間的地區(qū)
在0°~23°26′N(包括23°26′N)之間的地區(qū)也遵循以下規(guī)律:
①春秋分:日出方位為正東,時間為6時;日落方位為正西,時間為18時。
②夏季或夏至:日出方位為東北,時間為6時以前;日落方位為西北,時間為18時以后。
③冬季或冬至:日出方位為東南,時間為6時以后;日落方位為西南,時間為18時以前。
有一點需注意, 太陽直射點的緯度在北半球大于觀測地的地理緯度時,正午時分太陽是從觀測者的北面照射的。
(三)66°34′N~90°N(包括66°34′N和90°N)之間的地區(qū) 在該地區(qū)分兩種情況:(1)沒有發(fā)生極晝現(xiàn)象,結(jié)論同23°26′N~66°34′N之間的地區(qū)是一樣的(2)發(fā)生極晝現(xiàn)象,有兩種情況①剛剛發(fā)生極晝現(xiàn)象:此時相當于晝弧的ABC弧由春秋分時的正東、正西同時向北擴展,一直擴展到正北。也就是說日出和日落都在正北,時間為0時和24時(同一方位、同一時間)即:太陽還未落入地平線以下就已經(jīng)升起②已經(jīng)出現(xiàn)極晝現(xiàn)象,沒有日出和日落但是有太陽高度角大小的變化(北極點除外),具體情況是:12時太陽高度角最大,方位正南;24時(或0時)太陽高度角最小,方位正北。北極點出現(xiàn)極晝時24小時太陽高度角沒有變化,在各個方位時太陽高度角均相等。
綜合(一)、(二)、(三)所述可得出以下結(jié)論:
北半球夏半年(3月21日~9月23日)有日出、日落現(xiàn)象的地區(qū),日出方位為東北,時間為6時以前;日落方位為西北,時間為18時以后。冬半年(9月23日~次年3月21日)有日出、日落現(xiàn)象的地區(qū),日出方位為東南,時間為6時以后;日落方位為西南,時間為18時以前。
二、南半球
同理,結(jié)合圖6和圖7可得出南半球的日出、日落結(jié)論:
南半球夏半年(9月23日~次年3月21日)有日出、日落現(xiàn)象的地區(qū),日出方位為東南,時間為6時以前;日落方位為西南,時間為18時以后。冬半年(3月21日~9月23日)有日出、日落現(xiàn)象的地區(qū),日出方位為東北,時間為6時以后;日落方位為西北,時間為18時以前。
三、赤道
由于一年中晝夜等長所以日出方位總為正東,時間為6時;日落方位總為正西,時間為18時。
最后總結(jié)一、二、三所述,可得出以下結(jié)論。
1.在3月21日~9月23日之間,全球(赤道除外)有日出、日落現(xiàn)象的地區(qū),日出方位均為東北,北半球時間為6時以前、南半球時間為6時以后;日落方位均為西北,北半球時間為18時以后,南半球時間為18時以前。
2.9月23日~次年3月21日之間,全球(赤道除外)有日出、日落現(xiàn)象的地區(qū),日出方位均為東南,北半球時間為6時以后、南半球時間為6時以前;日落方位均為西南,北半球時間為18時以前,南半球時間為18時以后。
3.赤道日出方位總為正東,時間為6時;日落方位總為正西,時間為18時。
4.日出和日落的方位和時間與當?shù)禺敃r的晝夜長短有關(guān):
(1)晝長夜短時日出方位為東偏北(北半球)、東偏南(南半球);日落方位為西偏北(北半球)、西偏南(南半球)。日出時間南北半球均為6時以前,南北半球日落時間均為18時以后。
(2)晝短夜長時日出方位為東偏南(北半球)、東偏北(南半球);日落方位為西偏南(北半球)、西偏北(南半球)。日出時間南北半球均為6時以后,南北半球日落時間均為18時以前。
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