地球运动演示仪的制作和教学应用

福建省大田县第一中学（366100）林启福

地球运动及其地理意义的内容是中学地理教学的重点和难点，绝大多数学生由于缺乏必要的空间想象能力而感到很抽象并且难以理解，而单纯的利用地球仪进行演示又远远不能解决问题。为此结合教学实践设计了制作简便、功能强大、演示直观的教学演示仪器和学生学习用具，可以演示教材中所要求的地球运动的绝大部分内容，是对现有教学仪器的高度综合和平面简化，极大增强教师教学的直观性，提高学生学习的时效性。

一、演示仪的制作

1.演示仪

演示仪是由含有量角器的“固定尺”（有两个用于固定的固定孔）和“转动尺”（有两个用于放置各种演示盘的固定轴）构成。其结构见示意图（如图1）。

图1

（1）制作材料

一个量角器，两把透明直尺，三枚图钉。

（2）制作方法

①固定尺：将量角器用502胶固定在一把直尺上，并用锥子在量角器中心处和尺子两端钻孔，中间的孔用于与“转动尺”相连，两端的孔用作固定演示仪。

②转动尺：在另一直尺的中间用锥子划上一条线并涂上颜色，作为中心线；将其中一端修成半圆形，并在圆心处钻孔，用于与“固定尺”相连；在另一端和中心处钻孔，并用图钉穿过成“固定轴1、2”，用于（叠加）放置演示功能盘。

③演示仪：用图钉穿过连接孔将两直尺连为一体，“转动尺”可以绕图钉（转轴）转动，制成演示仪。

2.功能盘

（1）制作材料

透明的幻灯片，即书写复印胶片。

（2）制作方法

根据教学需要绘制详略程度不同的各种演示功能盘。将要用于演示的各种功能盘（如北半球、南半球、经纬网、地月系、地方时、太阳高度、周期、春秋分、夏季、冬季盘等，见附图）打印在纸上，然后将其复印到透明的幻灯片上，并将其修剪成圆形。

二、演示仪的教学应用

1.演示地球的自转和公转

地球绕地轴自转、绕太阳公转。用两图钉穿过“固定孔”将演示仪“固定尺”固定在桌面上，将“北半球盘”（或“南半球盘”）放置到演示仪的“固定轴1”（或“固定轴2”）上。按逆时针方向旋转“北半球盘”（或按顺时针方向旋转“南半球盘”），即演示地球绕地轴自转。

在逆时针方向旋转“北半球盘”的同时带动“转动尺”按逆时针方向转动（或在顺时针方向旋转“南半球盘”的同时带动“转动尺”按顺时针方向转动），即演示地球在自转的同时绕太阳公转（如图2）。

图2

2.演示太阳日和恒星日

太阳连续两次经过上中天的时间间隔，叫做一个太阳日，为24小时；天空某一恒星连续两次经过上中天的时间间隔，叫做一个恒星日，为23时56分4秒。

用两图钉穿过“固定孔”将演示仪“固定尺”固定在墙面上，使“转动尺”垂直向下。将“周期盘”放置到演示仪的“固定轴1”上，让盘上OP线段与“转动尺”的中心线重合且P点在上。按逆时针方向转动“周期盘”，同时带动“转动尺”也按逆时针方向转动，到OP线段再次出现竖直时的时间间隔为恒星日，到OP线段再次与转动尺的中心线重合且P点在上时的时间间隔为太阳日。

用同样的方法可以演示以下几种假设情况下的太阳日和恒星日的比较：①公转方向不变，自转方向相反；②自转方向不变，公转方向相反；③公转方向和自转方向都相反（如图3）。

图3

3.演示地球自转的地理意义

（1）昼夜交替

将“春秋分盘”（或“夏季盘”、“冬季盘”）放置到“固定轴1”（或“固定轴2”）上，让12时经线与“转动尺”的中心线重合且朝向“转轴”（将“转轴”或量角器看作是太阳，下同）。之上叠加“北半球盘”（或“南半球盘”），按逆时针方向旋转“北半球盘”（或按顺时针方向旋转“南半球盘”），可以看到地球不停地运动，昼夜不断的交替（如图4）。

图4

（2）地方时

将“地方时盘”放置到“固定轴1”（或“固定轴2”）上，让12时与“转动尺”的中心线重合且朝向“转轴”。之上叠加“北半球盘”（或“南半球盘”），按逆时针方向旋转“北半球盘”（或按顺时针方向旋转“南半球盘”），可以看到地球不停地运动，地方时不断的变化，越往东的地点时刻越早；还可直观看到各时区的区时（即各时区中央经线的地方时）的变化。

若将“北半球盘”（或“南半球盘”）的1200E经线在“地方时盘”上对准当前的北京时间（用钟表查看），也就可以在“地方时盘”上看出当前世界各地的大致时间；然后在“地方时盘”上，找到0时对应的经线，按自西向东方向到1800经线的范围是“今天”，由1800经线自西向东直至0时对应经线的范围是“昨天”（如图5）。

图5

图6

（3）沿地表水平运动物体的偏移

将“北半球盘”（或“南半球盘”）放置到“固定轴1”（或“固定轴2”）上。在盘中心附近滴上红墨水，然后按逆时针方向旋转“北半球盘”（或按顺时针方向旋转“南半球盘”），从红墨水运动轨迹可以看出在北半球向右偏、南半球向左偏的偏移规律（如图6）。

4.演示地球公转的地理意义

（1）昼夜长短的变化

将“春秋分盘”放置到“固定轴1”（或“固定轴2”）上，让12时与“转动尺”的中心线重合且朝向“转轴”。之上叠加“北半球盘”（或“南半球盘”），可以看到春秋分时全球昼夜等长（如图7）。

图7

将“夏季盘”和“冬季盘”分别放置到“固定轴1”和“固定轴2”上，让12时与“转动尺”的中心线重合且朝向“转轴”。之上分别叠加“北半球盘”和“南半球盘”（或“南半球盘”和“北半球盘”），可以看出夏季昼长夜短（夏至日北极圈内出现极昼、冬至日南极圈内出现极昼），冬季昼短夜长（夏至日南极圈内出现极夜、冬至日北极圈内出现极夜）。

将“高度盘”放置到“固定轴1”（或“固定轴2”）上，让900线与“转动尺”的中心线重合且朝向“转轴”。之上叠加“经纬度盘”，按顺时针或逆时针方向转动，使900线（即太阳直射点）在南北回归线之间移动，可以直观看出各纬度一年中昼夜长短变化情况（如图8）。

图8

（2）正午太阳高度的变化

将“高度盘”放置到“固定轴1”（或“固定轴2”）上，让900（即太阳直射点）与“转动尺”的中心线重合且朝向“转轴”。之上叠加“经纬度盘”，按顺时针或逆时针方向转动，使900在南北回归线之间移动。当900在赤道时，正午太阳高度自赤道向两极递减；当900在北回归线（或南回归线）时，正午太阳高度自北回归线（或南回归线）向南北两侧递减（如图8）。

（3）五带

将“高度盘”放置到“固定轴1”（或“固定轴2”）上，让900（即太阳直射点）与“转动尺”的中心线重合且朝向“转轴”。之上叠加“经纬度盘”，按顺时针或逆时针方向转动，使900在南北回归线之间移动。可以看出有太阳直射的热带、有极昼极夜现象的寒带、既无太阳直射又无极昼极夜现象的温带（如图8）。

（4）黄赤交角大小的变化

在上述演示公转地理意义的基础上，还可演示黄赤交角大小（等于回归线的度数）变化时五带的划分和昼夜长短的变化情况。若黄赤交角变大，则让900最北最南的范围扩大到回归线之外；若黄赤交角变小，则让900最北最南的范围缩小至回归线之内。

5.演示日出日落的方位

将“高度盘”放置到“固定轴1”（或“固定轴2”）上，让900（即太阳直射点）与“转动尺”的中心线重合且朝向“转轴”。之上叠加“经纬度盘”。当太阳直射赤道时，全球太阳正东升起正西落下；当太阳直射北半球时，全球太阳东偏北升起西偏北落下（极昼极夜地区除外）；当太阳直射南半球时，全球太阳东偏南升起西偏南落下（极昼极夜地区除外）。

6.演示日地月三者的关系

将“地月系盘”放置到“固定轴1”上，按逆时针方向转动的同时带动“转动尺”也按逆时针方向转动，可以看到地球绕太阳公转、月球绕地球公转，且公转方向都是自西向东。

当月球与地球的连线与“转动尺”中心线重合时，地球出现大潮；当二者出现垂直时，地球出现小潮。

当月球与地球的连线与“转动尺”中心线重合，而地球位于月球和转轴（即太阳）之间时，可能出现月食；而月球位于地球和转轴（即太阳）之间时，可能出现日食（如图9）。

图9

7.测量当地的经度和纬度

将演示仪直立且“固定尺”按正南北向放置在阳光下，记录“转动尺”的影子为一直线时的北京时间T时，则当地的经度为120。E+（12-T）×15。/时。

将演示仪直立且“固定尺”按正南北向放置在阳光下，在北京时间T时（当地地方时为12时）调整“转动尺”与“固定尺”的夹角，使“转动尺”上“固定轴1”和“固定轴2”的影子重合，则此时的夹角为当地的正午太阳高度角。通过查询当日太阳直射点的纬度也可求出当地的地理纬度。

将“固定尺”对准北极星，“转动尺”中心线与量角器上900的夹角等于北极星的高度，即当地的地理纬度（如图10）。

图10

注：本演示仪获第23届全国青少年科技创新大赛科教制作类三等奖。