奥地利

玩转地理从一道题来聊聊日晷的那些事儿

发布时间:2018/6/30 0:39:48   点击数:
导读

相信很多的老师或同学在平时练习的模拟卷中会发现很多精品题,但有时候也会发现一些粗制滥造的题目,还有一些题目会让人造成误解,所以出题目是一项严谨细致的“技术活”。

年安徽高考地理卷以操场树荫为背景材料考核太阳视运动的那一题,因为出题老师考虑方式不同,而导致最终答案与所给答案不符,最终认为选择其中的两个选项都算正确,都给分,这是对考生及老师的极不负责,说起来这确实有些黑色幽默。

小蹊曾经遇到过这样一个题目,从不同的方面可以得出不同的答案。笔者也尝试找了几份不同学校和资料网站的相关题目,同一道题目却给出是两种不同的答案,解析也是都有道理,这让老师没有办法给学生讲解清楚,学生自学时也会出现失误。虽然最终得出的答案是因为不同的思路,可其实是因为题目中限定性材料没有给出完整。选在这里就是想引发更多的老师和同学来讨论,一是开拓大家知识视野;二是希望出卷人在出卷时应该此以为戒,出题引用材料时给出相应限制条件,能出一份科学系统的试卷。

原题重现

某学生设计了一款计时笔筒,拟在某地(30°N,°E)推广使用,使用时让铅笔笔尖朝向正北,铅笔的日影能在盒盖上均匀移动。读图完成以下问题。

1.盒盖与地平面的倾角应为

A.30°B.36°34′

C.53°26′D.60°

2.若铅笔影子如图所示时,北京时间为

A.5∶00B.7∶00

C.17∶00D.19∶00

该题组的第1题有争议。在网络资料上很多地方给出的第一题答案为C,而在厦门.3质检卷里则给出答案为D。为何同一道题给出两种不同的答案呢?孰对孰错?为此小编查了一些资料。题目中的计时笔筒小编认为其实是模仿日晷,接下来我们先来了解一下题目中给的相关背景材料。

知识背景日晷

什么是日晷

日晷一般指利用太阳投射的影子来测定时刻的装置,又称“日规”。

日晷通常由铜制的指针和石制的圆盘组成。铜制的指针叫做“晷针”,垂直地穿过圆盘中心,起着圭表中立竿的作用,因此,晷针又叫“表”;石制的圆盘叫做“晷面”,安放在石台上,呈南高北低,使晷面平行于天赤道面,这样,晷针的上端正好指向北天极,下端正好指向南天极。日晷的缺点也非常明显:笨重而且看不到阳光的时候不能用,比如阴天和晚上。

日晷的工作原理

在一天中,被太阳照射到的物体投下的影子在不断地改变着。

第一影子的长短在改变。早晨的影子最长,随着时间的推移,影子逐渐变短,一过中午它又重新变长;第二影子的方向在改变。在北回归线以北的地方,早晨的影子在西方(偏西或正西),中午的影子在北方,傍晚的影子在东方(偏东或正东)。

从原理上来说,根据影子的长度或方向都可以计时,但根据影子的方向来计时更方便一些。故通常都是以影子的方位计时。

随着时间的推移,晷针上的影子慢慢地由西向东移动。移动着的晷针影子好像是现代钟表的指针,晷面则是钟表的表面,以此来显示时刻。

日晷的类型

按晷面的摆放角度,可分为:地平式、垂直式、赤道式。

▲地平式日晷(亦称水平式日晷)

地平日晷的晷面必须严格水平,晷面和晷针之间的夹角就是当地的地理纬度。晷面刻度需要利用三角函数计算才能确定。适合低纬度的使用。

地平日晷制造容易,安装简便,但它的缺陷是:必须在使用其他计时工具进行精确计时的条件下,根据表影随时间变化的实际情况来进行刻划日晷表面刻度,即不方便,也容易带来计时误差。

▲赤道式日晷(亦称斜晷)

赤道式日晷的晷面为赤道面,依照使用地的纬度,使赤道式日晷的晷面平行于赤道面。晷盘上的刻度是等分的,每小时相当与十五度,正午线垂直朝下。夏季和冬季轴投影在晷盘上的影子会分在晷盘的北面和南面。适合中低纬度地区使用。

若将晷盘改为圆环则称为赤道式罗盘日晷。赤道式日晷是日晷世界中最重要和最常见的,也是中国古代最经典和传统的天文观测仪器。

▲垂直式日晷(亦称立晷)

它是晷盘面垂直于地平面刻度盘面采用垂直方向的日晷。

欧洲的英国、法国、德国、意大利、奥地利等国,在一些中层建筑的向南和向北(东西方向)以及向东和向西(南北方向)的墙上,附建有各种不同色调、大小和风格相异的日晷雕塑。

垂直式日晷有标准向南、向北和向东、向西四个面,可分为三种:“垂直向南日晷”、“垂直向北日晷”和“垂直向东和向西日晷”。

垂直向南日晷刻度盘面朝向正南且垂直地面的日晷。这一种日晷较适合在中纬度(30~70)使用。

东或西向垂直式刻度盘面朝向正东或正西且垂直地面的日晷。这一种日晷只能在上半日(东向)或下半日(西向)使用,但全球各纬度都适用。

赤道式日晷使用方法

使用日晷,无论是何种形式都有一根指时针,这根指时针与地平面的夹角必须与当地的地理纬度相同,并且正确的指向北极点,也就是都有一根与地球自转轴平行的指针。观察这根指针在指定区域内的投影,就能确定时间。

春分到秋分期间,太阳总是在天赤道的北侧运行,晷针的影子投向晷面上方;从秋分到春分期间,太阳在天赤道的南侧运行,晷针的影子投向晷面的下方。所以在春分以后看晷盘的上面;秋分以后看晷盘的下面。

很明显原题中的应该是模拟的赤道式日晷来制作的。

原题选C给出的解析:该设计通过一天中不同时刻铅笔的影子朝向随太阳方位变化而变化实现计时的目的,因笔尖朝向正北方向,因此需保证一年中正午时太阳光线至少和盒盖平行或从盒盖上方照射(小编认为此句解析有值得商榷之地),该地正午太阳高度最小值出现在冬至日,若该日满足上面的条件,则其他时间也能满足上面的条件。根据该地纬度可知该地冬至日正午太阳高度为53°34′,此时太阳光线和盒盖平行,则盒盖与地面的倾角即该地正午太阳高度,为53°34′。

而厦门.3市检卷选D,虽然没有给出解析,但可以很明显的得出选该题老师以日晷的原理来进行解题的,笔尖指向正北方向,即为北极星方向,而铅笔与水平面的夹角于地平面的夹角与当地纬度相同,即为30度,所以盒盖与地平面的倾角与当地纬度互余,为60度。如下图所示:

图上是此角与纬度互余,失误打错了

同一道题,两个答案,选C的只考虑到阳光与盒盖上侧的关系,即全年阳光都应该能照到盒盖上侧面,而此时盒盖上的铅笔还能指向正北么?由于小编没有相关的工具去测试,所以不敢臆断。而如果真如题意中所说笔尖指向正北,则盒盖与地平面的夹角就应该是当地纬度的余角了。但该设计中又没有笔尖朝南的那一面,即晷的下面又不存在,这就让做题者实在难以想象到底该选哪一个答案了,两个答案似乎都有道理。所以小编认为这一题出的不严谨,虽然出发点与立意比较好,但实际中的问题却没有考虑到,题中应该给出相应的限制条件,否则真的让人无法入手解题。再次希望出题者能通盘考虑,让此类模糊有争议的题目不再出现。

图片来自网络

资料参考自网络

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