2023年高考题中太阳方位与日影问题选析

羊重荣

(北京师范大学万宁附属中学)

一、真题分析

(2023年湖南省选考,9题)非洲冰鼠是啮齿类食草动物,夜伏昼出,不冬眠,不囤积食物,常通过晒太阳或蜷缩等方式应对寒冷。在非洲南部某山地(29°33′S,29°14′E)海拔2 800米处的缓坡上,某科研团队对非洲冰鼠群体的活动规律进行观测。图1示意连续几日观测的平均结果。据此完成9题。

图1

9.北京时间15∶00左右,非洲冰鼠冬季晒太阳的地点最可能位于该山地的

( )

A.东北坡 B.西北坡

C.东南坡 D.西南坡

【解析】第9题考查目标:时间计算、不同时间太阳在天球上的方位,从而找出能够晒太阳的地点。

关键信息:某山地(29°33′S,29°14′E)的缓坡,北京时间15∶00左右。

调用知识:根据两地经度计算地方时、北京时间的概念、太阳视运动规律。

思维路径:当地经度为29°14′E,根据它与120°E的经度差,可以计算出北京时间15∶00时,当地地方时=15-(120°E-29°14′E)÷15°/小时≈9时。当地在29°33′S,属于南半球,南半球在冬季时太阳直射北半球,所以日出东北,日落西北;正午时直射点在该地北方,所以正午时太阳位于当地正北,由此可知上午时间太阳均在东北方,上午的9时东北坡为向阳坡,因此在北京时间15∶00,非洲冰鼠冬季晒太阳的地点最可能位于该山地的东北坡,故选A选项。

【答案】9.A

(2023年山东省等级考,14,15题)某文化广场(37°N,105°E)上的十二生肖石像均匀排列成圆形,生肖鼠位于正北方。小明在圆中心竖立一根细杆以观察太阳周日视运动变化。图2示意夏至日两个时刻的杆影指向。据此完成14,15题。

图2

14.该地夏至日地方时16∶00时,杆影指向

( )

A.生肖虎 B.生肖虎与兔之间

C.生肖兔 D.生肖兔与龙之间

15.11月至次年2月,一日内被杆影指向的生肖石像个数最多为

( )

A.5个 B.6个 C.7个 D.8个

【解析】第14题考查目标:日影方向、地方时计算、太阳视运动规律。

关键信息:某文化广场的经纬度(37°N,105°E),生肖鼠位于正北方,图中示意夏至日北京时间9∶20杆影指向正西。

调用知识:地方时计算的方法,当地地方时12∶00时影子的方向在物体的正北或正南,杆影指向正西时太阳位于正东方,太阳视运动中的对称规律。

思维路径:由图可知,生肖鼠位于正北方,所以与其垂直的生肖鸡位于正西方,北京时间9∶20杆影指向正西;该文化广场位于105°E,当北京时间9∶20杆影指向正西时,根据北京时间的概念,可以计算出此时当地的地方时=9∶20-(120°E-105°E)÷15°/小时=8∶20,所以在当地地方时8∶20时太阳位于正东。从太阳视运动规律可以知道,一天中太阳在正东和正西的位置关于正午12时正南的位置对称,也就是说,正午12时太阳在天空中的位置处于正东和正西的中间位置,由此可以根据太阳在正东的时间计算出太阳在正西的时间等于12+(12-8∶20)=15∶40;该地在北半球,夏至日时日落西北,所以太阳在15∶40位于正西之后,其视运动会继续向西北方落下,因此,在当地地方时16∶00时,太阳位于西北方向(正西略偏北),杆影指向东南(正东略偏南),在四个选项中,只有兔与龙之间的地方位于杆的东南,所以选D选项。

【答案】14.D

【本题常见错误解析】太阳视运动变化角度为15°/小时,图中生肖石像均匀排列成圆形,两个相邻的生肖石间隔的圆心角为30°;正午12∶00太阳位于正南方,之后往偏西方向移动,地方时16∶00时太阳位于南偏西60°,杆影与太阳方位正好相反,对应杆影位于北偏东60°;生肖鼠位于正北方,北偏东60°指向生肖虎,A选项正确,B,C,D选项错误,故选A选项。

【错因简析】该地不在极点,太阳视运动在天空中方位的变化角度不是匀速的15°/小时,而是有快有慢,这个问题可以用实验观测加以检验,其解析忽略了这一点,因此出错。

【解析】第15题考查目标:日影方向、太阳视运动规律。

关键信息:某文化广场的纬度37°N,11月至次年2月。

调用知识:太阳直射点移动规律、太阳视运动规律、日影的方向。

思维路径1:11月至次年2月,太阳直射南半球,正午时直射点位于37°N以南,由此可以得到太阳在天空中的三个关键方位“日出东南—正午在正南—日落西南”,其对应的三个关键日影方位是“西北—正北—东北”,结合图上可知,在其范围内(小于180°)生肖石像个数最多为5个,故选A选项。

思维路径2:从11月到次年2月,该地昼短夜长,太阳在地平圈以上的视运动路线是一条劣弧,因此对应的日影范围也为劣弧,结合图上可知,在其范围内(小于180°)生肖石像个数最多为5个,故选A选项。

【答案】15.A

二、知识总结与提高

日影问题是一个既贴近生活又可以实际操作并用于生产的应用问题,下面做一简要总结。

(一)日影的方向

根据经验,光源与某一物体的影子位于物体相反的两侧。如图3所示,当太阳直射赤道时,在直射点处的直立物体没有影子(立竿无影);当太阳直射南半球时,位于赤道的该物体正午的日影朝向正北,由此可见,太阳直射点与直立物体的日影位于该物体相反的两侧。

图3

图4 日影长短及方向

图5

图6

图7 北半球太阳直射点以北的非极昼极夜某地

图8 南半球太阳直射点以南的非极昼极夜某地

图9 北半球刚出现极昼地区

图10 南半球刚出现极昼地区

图11 北极点(沿纬线自东向西水平移动,即顺时针方向移动)

图12 南极点(沿纬线自东向西水平移动,即逆时针方向移动)

北回归线以北的地区(北极点除外),在当地地方时12时的日影全年朝向正北;南回归线以南的地区(南极点除外),在当地地方时12时的日影全年朝向正南;南、北纬23°26′之间的地区在当地地方时12时的日影有南、北朝向的变化,例如,0°～23°26′N的地区在当地地方时12时的日影冬至日朝向正北,夏至日朝向正南。

(二)日影的长短

日影的长短取决于太阳高度的大小,二者呈负相关。所以在同一天中,日影最短的时刻是当地地方时12时,因为此时太阳高度最大。在不同日期,正午日影的长短取决于正午太阳高度的大小,二者呈负相关。例如,北温带在一年中的夏至日正午太阳高度最大,所以此时也是一年中正午日影最短的一天;而南、北纬23°26'之间的地区,受太阳直射时日影最短(等于0)。

(三)日影与时间

在同一天中,影子最短的时刻是当地地方时12时,这时,影子的方向在物体的正北或正南。

(四)太阳在天空中方位的变化

从太阳视运动路线图中可以观察到太阳在天空上运行的路线,能够看出在一天中不同时刻太阳方位的变化,把不同季节的太阳视运动路线图加以对照,就可以发现多种要素如日出、日落方位、正午太阳高度、昼夜长短的季节变化规律。总之,找到太阳在天空中的方位,就能确定日影的方位,反之亦然。

1.(一天中)太阳视运动轨迹

(1)运动轨迹:一天中,日出时太阳高度为0°,以后逐渐增大,至当地地方时12时达到最大值,之后,太阳高度逐渐与12时之前对称减小。

(2)三大信息:找出日出、正午、日落时太阳的方位。

2.(一年中)二分二至日太阳视运动轨迹

读图时,重点是找准日出、正午、日落这三个关键点的信息,如

(1)根据全年当地地方时12时太阳均位于正南方可以判断该地位于北半球。

(2)根据轨迹①日出东北方,日落西北方,昼长夜短且正午太阳高度在一年中最大可知这一天是夏至日。

(3)根据轨迹②日出正东方,日落正西方,说明这一天是春、秋分日。

(4)根据轨迹③日出东南方、日落西南方,昼短夜长且正午太阳高度在一年中最小,由此可知这一天是冬至日。

(5)从图中可以看出太阳周日视运动路线①夏至日时太阳方位的变化过程是:太阳东北升—东北方天空—正东—东南方天空—正南方天空—西南方天空—正西—西北方天空—西北落。其他的可以参照这个例子描述。

3.不同地区太阳视运动示意图的判读

(1)当太阳直射北半球时,在全球一天中既有昼又有夜的地区不分南、北半球都是日出东北,日落西北——共性是都偏北(因为直射北半球);当太阳直射南半球时,在全球一天中既有昼又有夜的地区不分南、北半球都是日出东南,日落西南——共性是都偏南(因为直射南半球);太阳直射赤道时,日出正东、日落正西——共性是既不偏南,也不偏北。

(2)有极昼时(极点除外)一天内仍然是正午太阳高度最大,0时(24时)太阳高度最小,但太阳终日不落。因此在刚开始有极昼的地方(如下图)若位于北半球,太阳升落方位均为太阳高度最小时的正北方;若位于南半球,太阳升落方位均位于太阳高度最小时的正南方。

(3)极昼期间的极点一天内太阳高度不变。

4.太阳视运动规律的应用

此外,还可以判断在一天中的大致时间:若太阳位于正南或正北方向,则为当地的12时。若太阳在偏东方则为上午;若太阳在偏西方,则为下午。

在同一天中,若日出、日落的方位角越大,则说明该地纬度越高。这个问题可以利用夏至日(或冬至日)日照图加以说明。

(五)太阳方位与房屋朝向

各地正午太阳的方位会影响房屋朝向的选择,目的是获得更充足的太阳光照。因此一般规律是:在北回归线以北地区,正午太阳位于南方,房屋一般朝南;在南回归线以南地区,正午太阳位于北方,房屋一般朝北。

(六)日影长度与楼间距

以北京为例,如图13,在一年中的正午时刻冬至日南楼的日影长度L最长,如果能保证此时北楼的一楼有阳光照射,则该楼正午全年都可以有阳光照射。所以南北楼之间的距离应大于一年中的最长日影L=h·cot H,其中H表示冬至日北京的正午太阳高度。

图13

三、练习巩固

(2023年海南省等级考,14,15题)对日影和太阳高度变化的观测可以判断地理位置、地方时等要素。图14为甲地某日日出至日落期间标杆的日影变化示意图,当日影朝正北方向时,标杆长度与其日影长度相等。图15为乙地同一日正午时刻的太阳高度示意图。图中时间均为北京时间。据此完成1,2题。

图14

图15

1.观测当日

( )

A.甲地昼长夜短

B.乙地昼短夜长

C.甲地昼长大于乙地

D.甲乙两地昼夜等长

2.甲地位于乙地

( )

A.东南 B.西南

C.东北 D.西北

我国某中学用立杆测影的方法开展了测量太阳高度角的地理实践活动。图16为某小组的实践记录单。据此完成3～5题。

图16

3.记录单中缺少的必备实践器材是

( )

A.量角器 B.圆规

C.卷尺 D.相机

4.该校最可能位于

( )

A.南昌(28°N,116°E)

B.西安(34°N,108°E)

C.长春(44°N,125°E)

D.拉萨(30°N,90°E)

5.与该日杆影顶端轨迹最相符的是

( )

A

B

C

D

【答案】1.D 2.A 3.C 4.A 5.D