“正午太阳高度角测量”研究性学习

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  一、活动背景与目的
  理解正午太阳高度角的概念,将理论联系实际生活,测定莆田砺青中学正午太阳高度角大小以及教学楼间距的合理性。调动学生学习地理的积极性,提高地理素养,培养学生地理实践力。
  二、预备与理论知识
  1.预备知识
  砺青中学地理坐标为25°26′20″N,119°0′50″E,北京时间为东八区所在的中央经线120°E的地方时,砺青中学正午时分是北京时间12点04分。
  2.理论知识
  正午太阳高度角计算公式:H=90°-|纬度差|,纬度差即所求地点纬度与太阳直射点所在纬度的差距(同半球减,异半球加)。楼间距的计算公式(三角函数公式):L=h/tanH=h/tan(90°-纬度差)。利用立竿见影测量法,于当地时间12时将木杆立直,测定影子的长度,假定正午太阳高度角为H,则tanH=木桿长度/影子长度(如图1、图2)。
  三、活动过程与实施
  1.方案制定,小组分工
  准备工具:35m长皮尺、5m长硬卷尺、90cm长直尺、大三角尺各一把,小皮筋若干,1.5m长塑料管一根。选定活动时间为冬至日前后连续测量8天,期间要求晴朗天气。小组成员分工如下:小组一由张润和吴进火组成,通过立竿测影法测量正午太阳高度角;小组二由车家漩、陈家升、陈立三人组成,测定正午时分太阳直射到教学楼高度。最后,每个小组进行数据汇总至车家漩处进行分析。
  活动安排:小组一通过立竿测影法将长直尺垂直于地板(如图3、图4)测量正午太阳高度角,三角尺的作用是使长尺保持垂直地面,12点04分时用卷尺测得影长并记录在表格中。
  小组二测定正午时分太阳直射到教学楼高度。正午时分太阳直射在北楼的高度介于二楼到三楼之间,为此11点50分两个小组做好各项准备。一同学在二楼走廊用皮筋将皮尺绑紧在塑料管中将皮尺0刻度线对准太阳直射点位置,另一同学负责检查0刻度线是否对齐太阳直射点位置并记录。此刻在一楼的同学将皮尺拉直贴近墙面和地面,尽量减少误差,并在北京时间12点04分读取数据,记录数据(如图5、图6)。
  通过测量测得砺青中学南楼和北楼的楼间距L=21.5 m,南楼和北楼的高度均为h=24.3m。最后,将数据汇总并进行分析。
  2.数据汇总,归类整理
  地理实践小组从2016年冬至日12月21日前后连续测量8天,其中只有四天是晴朗的,分别是19、20、23及26号,所以在这四天进行的测量活动数据如表1和表2。
  四、数据分析与建议
  1.楼间距过窄
  通过测量得知莆田砺青中学在冬至日前后正午太阳高度角平均值为40°24′,南北教学楼间距宽度为21.5m,楼高均为24.3m(如图7)。
  因此,通过三角函数值计算公式(tanH=楼高/楼间距)可知,楼间距至少要达到28.55m才算合理。
  2.市区用地紧张
  砺青中学的地理位置处于市区中心,前面有文物古迹三清殿,后有大型购物广场,优越的地理位置导致用地紧张,无法拓展空间。
  3.小小建议
  学校可以考虑布局在市郊,市郊相对有较大空间进行学校教学楼布局,在新建教学楼时,建议从当地冬至日正午太阳高度角着手设计合理的楼间距,确保底楼全年都有光照。
  五、活动反思与心得
  1.反思
  测出莆田砺青中学正午太阳高度角为40°24′(虽与理论值41°08′有误差)。对于教学楼高度(24.3m)的测算是通过第一层楼高(4.05m)去推算六层楼的楼高(4.05×6=24.3m)造成测量的楼高精度不够,产生误差,该数据还有进一步优化的空间。
  2.心得
  预备工作做得良好(如冬至日前后四天的天气预报)。真正意识到地理学习的重要性,对地理有更深刻的见解,对地理学习产生浓厚兴趣。成员的实践能力和团队能力有所增强。此次地理活动带动了全班的学习氛围。
  作者单位:福建省莆田市莆田第四中学(351100)
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