•验教学参f73自制实验仪器观测正午太阳高度的教学实践
杨云峰
(贵州大学附属中学，贵州贵阳）
摘要：通过自制观测实验仪器进行正午大阳高度的观测，探讨了地理学科核心素养理念下的地理观测
实验教学。该观测实验按照正午太阳高度的相关原理和学科知识来设计，观测实验结果与理论计算
值非常接近，可锻炼学生地理实践力和综合思维能力。
关键词：自制实验仪器；正午太阳高度；地理核心素养
—、实验意义
正午太阳高度的季节变化是由地球公转运动引
起的天文现象，它是地球上诸多自然现象季节变化的
重要基础，正午太阳高度的大小可反映当地单位面积
获得太阳辐射热量的多少。通过实验可使学生深刻
认识正午太阳高度变化现象，从定性识记到定量观测
获取，由感性认识上升到理性认识。在实验观测过程
中渗透地理、数学、物理、通用技术等学科知识，注重
学生的科学探究精神、动手实践能力、创新思维能力
的培养。
二、实验教学目标
1. 加深学生对正午太阳高度的理解，以及对地球 公转、太阳直射点的季节移动现象、正午太阳高度的
季节变化、地球季节变化等现象的理解与掌握。
2. 促进学生地理综合思维与地理实践力等核心 素养的发展与提升。
三、实验原理与方法
从几何意义上看，太阳高度是太阳光线与当地地
平面的夹角（0)。正午太阳高度是指当地地方时12
点时的太阳高度，如图1所示。
鬼
图1正午太阳高度角与物体高度和物体影长关系示意根据地表某地点正午太阳高度角的测算原理，用
数学式表述为H=90。- la±31 ，其中，H代表某地正
午太阳高度，《为当地纬度,5为直射点纬度。若当地
(观测点）与直射点均位于北半球或南半球时，以
l a-SI计算；若当地（观测点）与直射点分别位于不
同半球时，以丨a+ 5丨计算。
在实验时，建议选择二分日或二至日开展当地正
午太阳高度的教学观测活动（春、秋分日时，S=0°，夏
至日与冬至日时,S=23°26')。将实验观测记录的数
据，利用反三角函数原理求出正午太阳高度角，利用
H=90。-丨《±3丨推算出当地纬度值ct；根据测量该地
正午太阳高度时记录的北京时间，与当地正午12时
的时间差值，推算出当地的经度值。
四、实验装置
1.实验材料准备
指南针、卷尺、60〜80厘米旧台灯架或支架一
个、直径为0.5厘米左右的直铁棍、细渔线、带刻度纸
条、装了水的脸盆或小水槽、量角器、计算器、手表、
笔、记录本、观测记录表等。
2. 组装实验装置
用一根直径为0.5厘米左右、长25 ~40厘米的
直铁棍（以尽量减小风阻影响、直铁棍稳定为佳），上
面系稳一条结实的细渔线，使铁棍与水面保持垂直，
铁棍底端焊接细铁钉，用以稳定带刻度平浮的纸条。
在水面上方放置一个纸条（提前用笔标注刻度，单位
为厘米），让直铁棍的影子投射在小纸条上。实验装
置如图2所示。
作者简介：杨云峰，一级教师，贵州省属第一批支教队优秀队员，主要从事中学地理教学、乡土自然地理学习与实践课程研究〇
74
■■■■■■■ 2021教学参考
年第5期■下
实验教学
图2实验装置
五、实验步骤1.
选择光照充分、空旷平整、无风的场地，确定实
验地点，将指南针静置，测定南北方向。
2. 将小水槽或脸盆装入适量清水，将其放在强光 下静置。
3.
用细线将铁棍固定在支架上并垂悬于水面上
方，测量铁棍的长度（i )，并记录数值。4. 利用手机AP P 查询观测点的地理坐标，可以推 算出观测点正午时刻的北京时间。按推算的观测点 正午时刻的北京时间认真观测记录。此时铁棍影子 方向与南北方向（经线方向）接近重合，即是当地地 方时正午12时。一人即时记录此时的北京时间。
5.
将纸条提前几分钟缓慢放入水槽并使纸条平
浮于水面，使纸条尽量保持南北方向，使铁棍的影子
全部投射到纸条上，纸条应与铁棍稍接触。读出直铁 棍投影在纸条上的投影长度（_/)并记录。
6. 计算并确定正午太阳高度数值：根据反三角 正切函数原理推算出arctan  /的值，利用反三角 正切函数计算器查询对应的角度值，即正午太阳高 度H 。小学生或初中生可以将观测到的影长_/与垂 直铁棍^组成直角三角形，按1: 1〇的比例绘在练习 本上，然后用量角器量出正午太阳高度的角度值。 正午太阳高度理论计算值H '，按某地点正午太阳高
度角的原理求得，用数学式表述为H '=90°-la  ±31。 其中W 代表某地正午太阳高度，a 为当地讳度，S 为
直射点纬度。当地讳度a 可以通过手机A P P 直接 查询，某日直射点纬度S 也可以通过查询太阳赤纬 表获知。7. 对比、验算、分析实验结果，反思、改进方法。六、实验活动的组织与实施
三角函数查询表
教师在实践活动中发挥启发和引导作用，学生是 实践活动的主体。1. 实验前准备
实验前教师给学生介绍观测实验的原理、思路和 步骤，引导学生组成研究小组，分工合作完成实验，并 按表1记录实验数据。
2. 正午太阳高度观测实验数据记录及总结案例
案例如表1所
示。
表1
某地地理坐标和正午太阳高度角测定实验要点记录
学校：贵州大学附属中学 观测记录员：杨云峰、陈洁
观察地点位置、 观测曰期
花溪区花溪南苑楼顶（北纬26。25'39〃，东经106。40'34")，2020年6月21日（夏至）、7月27日、10月11 曰、10月25曰
校园学生宿舍小停车场（北纬26。27'10"，东经106°38'51")，2020年6月22日、7月14日曰期铁棍长度丨*/cm
投影长度j/cm
正午太阳高度实 地观测计算值H
记录时间（北京时间）
正午太阳高度
理论计算值H '6月21曰26. 1  1.3
87。8,55"
12:5687〇00,21"
6月22日26. 1无阳光直接照 射（无数据）
无阳光直接照 射（无数据）12：54略7月14日40.0  3. 185〇34,06"12：5585°2(T 50W 7月27日40.0  5.3
82〇27,08"
12：5482。52,21〃
9月22日
40.0无阳光直接照 射（无数据）
阴雨天（无数据）12：54略10月11日40.026.856〇10,42"12：5456°46,21w 10月25曰（重阳节）
40.0
32. 1
51。15，14"
12：54
51。46,21"
七、总结与反思
利用反正切函数计算器查到arctan  i /J 的值为
1.观测实验结果：数据真实可靠
87. 148°或87°以55"，即2020年6
月21日（夏至日）观测
按6月2
1
日（夏至日）观测实验数据：垂直铁棍 点正午太阳高度角。另外，在7月14日、7月27日、10
高L  =26.丨厘米，正午垂直铁棍投影长J  = l . 3厘米。 月11日、10月2
5日也顺
利通过观测实验获取了相应
的正午太阳高度角H 的观测计算数据（如表1所示）。
2•观测实验结果验算表明：误差较小、实验成功 按某地点正午太阳高度角的原理，用数学式表述 为H '=90°-±31。其中H '代表某地正午太阳高 度，a 为当地纬度，S 为直射点纬度。当地讳度a 可以 通过手机APP 直接查询，某日直射点纬度S 可以通过 查询太阳赤纬表获知。
例如，夏至日观测，实验地点纬度为26°25'39"N ， 正午太阳高度角理论值计算为夏至日（6月21日）正 午太阳高度H ' =90° -丨纬度差I ，即理论值H '= 90。- (26。25,39" -23026') =87。00,21"〇
验算结果：观测实验结果87°8'55"与理论计算值 87 °00'21"比较，误差在1 °以内。
此外，在每年春分、秋分、夏至、冬至节气以外时 间测量正午太阳高度，观测结果的验算可以通过查询 太阳直射点全年赤纬表获取具体日期太阳直射点的 纬度值S (赤纬）。例如，2020年7月14日太阳直射 点纬度值5 = 21.8°N ，以此可以直接验算，当日本地 正午太阳高度的理论值为只'=90。-(26。2730"- 21M 8') = 85。20，50"，对比实际观测值85。34，06"，误差 在1°以内。又如,2020年10月11日，太阳直射点讳 度值S  =6. 8°S ，由此可以直接验算，当天本地正午太 阳高度的理论值为 H ' =90。-(26。25'39"+6。48')=
(上接第64页）
设计意图：以南昌“旅行攻略”实现学以致用，形 成“地理眼”，提升问题解决能力，培养学生家国情怀。 3•课堂总结（5分钟）采用问答法回忆本节课的知识点，师生共同完成 思维导图（如图4所示）。
图4 “交通运输布局对区域发展的影响”思维导图
4•课后探究（2分钟）
教师要求学生查南昌地铁3号和4号路线规 划图，思考未来南昌市区哪些地方可能成为新的商业 中心。
加强区域间的经济联系 拉动相关产业的发展 促进其他经济部门的发展⑩
验教
学75
2021年第5期•下
56。46'21"，对比实际观测值56。1032"，误差在1。以内。
由于以上正午太阳高度的观测实验、自制实验仪 器和过程是完全按照正午太阳高度角的原理来设计， 实验取得的结果与验算结果非常接近，可信度和参考 价值较高。事实表明：该观测实验方法可行可靠，观 测结果与理论计算值误差不大，为今后指导学生开展 正午太阳高度观测实践活动打下良好基础。
3.反思及改进措施
本地夏至日正午太阳高度观测实验结果与理论 计算值存在1°左右误差。产生误差的原因及改进措 施如下：
(1)
观测天气条件不理想。连续两三日多云少
晴，日照强度不大，靠坚持和幸运捕获到正午时刻的 影长数据，但记录时间延迟近两分钟。
(2) 风力影响。为进一步克服风力影响造成的 垂直铁棍不稳定状态，考虑将直铁棍加长至40厘米 左右，或有条件的可更换比重更大的垂直铁棍。(3) 观测装置在垂直铁棍与水面的接触点等细 节的设计、制作方面需进一步改进和完善。(4) 在获取数据（当地正午时刻的计算，垂直铁 棍长度、影子长度测量读取等）时还需要更加细致和 准确。A
学生结合所学知识，采用查阅资料、访谈等方法 完成探究活动。
设计意图：培养学生材料收集与信息分析能力， 巩固知识、加深理解。
十、教学反思
1. 设计典型案例，合理创设情境，激发学习热情 教师在课堂上有目的地创设引发学生共鸣的学习情境，能活跃课堂氛围，让学生有效参与学习。本 节课用旅游宣传片《66号公路》导人新课，创设“ 66 号公路之旅”学习情境，以两个探究活动作为旅行项 目来展开学习，利于学生学习热情的持续与投入。同 时，在“学以致用”环节，学生通过对家乡南昌的分 析，能够掌握对其终身发展有用的地理知识。
2. 设置探究活动，培养学生地理核心素养 本节课设计了三个探究活动，通过探究问题引导学生自主思考，小组讨论并进行展示，在探究过程中 培养自主学习和团队协作能力。合理运用思维导图， 及时总结和点拨，培养学生综合思维和发散思维。运 用大量的图文材料，增强学习直观性，利于提高学生 读图分析能力、获取信息的能力、对比总结能力等，逐 步培养学生的综合思维、区域认知、地理实践力和人 地协调观。全
影响聚落分布一影响聚落规模一影响聚落形态一影响城市发展
影响聚落中的
有业网点
线状一面状交通通达度的提高，有 利于聚落规模扩大聚落趋向于以交通线 为轴扩展____________交通兴，城市兴交通衰，城市衰
-I 以交通最优原则布局|
促进
区域经济发展
响落展
影聚发区域发展
交通运输布局

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