湖北 劉 靜 詹升強(qiáng)

2018年新課標(biāo)全國卷Ⅰ地理第10題考查太陽視運(yùn)動這一知識點(diǎn)，該知識點(diǎn)涉及空間思維，多數(shù)同學(xué)通過“死記硬背”亦能得出答案，但深入就里，就疑問多多。本文從基本的原理出發(fā)，探討不同緯度地區(qū)不同時間的太陽視運(yùn)動軌跡畫法及相關(guān)結(jié)論，幫助學(xué)生建立整體的太陽視運(yùn)動時空觀。主要內(nèi)容如下：太陽視運(yùn)動軌道；地平線與地軸關(guān)系；北極星仰角與觀測點(diǎn)緯度關(guān)系；不同時空下日出、正午、日落太陽方位等。

一、基本知識闡述

1.天球及地平線(圈)概念

天球是以任意遠(yuǎn)為半徑的假象的球體，通常指地心天球。由于天球半徑無限長，所有天體的位置可以投影在天球上，以便于研究天體的關(guān)系和運(yùn)動狀況。高中階段，一般把地心天球認(rèn)為是觀察者天球，忽略地球半徑。

地平圈是通過天球中心(地心)與觀察者當(dāng)?shù)劂U錘線(物體重心與地球重心的連線)垂直的平面無限擴(kuò)大，同天球相割形成的天球大圓。

2.太陽在天球上運(yùn)動方向、速度及軌道

圖1

圖1中地球自西向東運(yùn)動，站在北極上空看，為逆時針。地球自轉(zhuǎn)，地面某地空間位置從3點(diǎn)(此時A星中天)移動到2點(diǎn)(此時B星中天)、1點(diǎn)(此時C星上中天)，對于該地而言，原來中天的A星逐步落后，似乎在向西運(yùn)動，據(jù)此可以推出：太陽運(yùn)動方向與地球自轉(zhuǎn)方向相反，二者速率相同(約為15°/小時)，太陽(周日)視運(yùn)動軌道面與地球自轉(zhuǎn)軌道面重合或平行，因自轉(zhuǎn)軌道面與地軸垂直，故太陽視運(yùn)動的軌道面與地軸亦垂直。

3.北極星相關(guān)規(guī)律

圖2中，在觀察點(diǎn)B點(diǎn)看北極星的視線與地軸的夾角是α，但是北極星離我們非常遙遠(yuǎn)，N與北極星的距離無限長，α無限小，趨近0，即在B點(diǎn)，人觀看北極星的視線與地軸ON平行。因此，可以得到以下規(guī)律：

圖2

①北極星觀測仰角(又叫北極星高度角，簡稱北極星高度)等于當(dāng)?shù)鼐暥取?/p>

②太陽視運(yùn)動軌道面與觀測者觀看北極星的視線垂直。

③赤道及以北地區(qū)能夠觀測到北極星。南半球觀測不到北極星，北極星在地平圈(線)以下，其北極星高度與當(dāng)?shù)鼐暥然橄喾磾?shù)。

④依據(jù)規(guī)律③推得太陽(恒星)的視運(yùn)動軌跡在不同緯度不同時間狀態(tài)下，處于地平線以上和以下的時間和軌跡弧長存在變化。

二、不同時空狀態(tài)下的太陽視運(yùn)動探究

(一)非極晝區(qū)域

1.赤道地區(qū)

圖3

依據(jù)規(guī)律①：觀測者觀測北極星仰角為0°。

依據(jù)規(guī)律②：不同時間狀態(tài)下太陽視運(yùn)動軌跡與觀測者觀看北極星視線垂直。

依據(jù)規(guī)律④：太陽在地平面以上和以下時間各占一半，故軌跡在地平線上下各一半。最后依據(jù)當(dāng)?shù)夭煌瑫r間正午太陽方位和高度，可以畫出相互平行的視運(yùn)動軌跡圖(圖3)。

依據(jù)圖3，可以得出以下結(jié)論：①春秋分時，太陽直射赤道，該地太陽日出正東、日落正西，正午太陽在天頂，且正午太陽高度角為90°；面北而立，太陽逆時針運(yùn)動；觀測者能夠見到的太陽軌跡的弧度為180°(參見圖3中a線)。

②6月22日時，太陽直射北回歸線，該地太陽日出東北、日落西北，正午太陽在正北，且正午太陽高度角為66°34′；面北而立，太陽逆時針運(yùn)動；觀測者能夠見到的太陽軌跡的弧度為180°(參見圖3中b線)。

③12月22日時，太陽直射南回歸線，該地太陽日出東南、日落西南，正午太陽在正南，且正午太陽高度角為66°34′；面南而立，太陽順時針運(yùn)動；觀測者能夠見到的太陽軌跡的弧度為180°(參見圖3中c線)。

2.直射區(qū)(赤道除外)

(1)以10°N為參照

圖4

依據(jù)規(guī)律①：觀測者觀測北極星仰角為10°。

依據(jù)規(guī)律②：不同時間狀態(tài)下太陽視運(yùn)動軌跡與觀測者觀看北極星視線垂直。

依據(jù)規(guī)律④：太陽在地平面以上和以下時間的數(shù)值關(guān)系存在著相等和不等關(guān)系，具體需要依據(jù)不同時間時該緯度晝長來判斷。最后依據(jù)當(dāng)?shù)夭煌瑫r間正午太陽方位和高度，可以畫出相互平行的視運(yùn)動軌跡圖(圖4)。

依據(jù)圖4，可以得出以下結(jié)論：①春秋分時，太陽直射赤道，該地太陽日出正東、日落正西，正午太陽在正南，且正午太陽高度角為80°；面北而立，太陽逆時針運(yùn)動；因春秋分全球晝夜平分，觀測者能夠見到的太陽軌跡的弧度為180°(參見圖4中a線)。

②6月22日時，太陽直射北回歸線，該地太陽日出東北、日落西北，正午太陽在正北，且正午太陽高度角為76°34′；面北而立，太陽逆時針運(yùn)動；因此時北半球晝長大于12小時，觀測者能夠見到的太陽軌跡的弧度大于180°(參見圖4中b線)。

③12月22日時，太陽直射南回歸線，該地太陽日出東南、日落西南，正午太陽在正南，且正午太陽高度角為56°34′；面南而立，太陽順時針運(yùn)動；因此時北半球晝長小于12小時，觀測者能夠見到的太陽軌跡的弧度小于180°(參見圖4中c線)。

(2)以10°S為參照

圖5

依據(jù)規(guī)律①：觀測者觀測北極星仰角為地平面以下10°。

依據(jù)規(guī)律②：不同時間狀態(tài)下太陽視運(yùn)動軌跡與觀測者觀看北極星視線垂直。

依據(jù)規(guī)律④：太陽在地平面以上和以下時間的數(shù)值關(guān)系存在著相等和不等關(guān)系，具體需要依據(jù)不同時間時該緯度晝長來判斷。最后依據(jù)當(dāng)?shù)夭煌瑫r間正午太陽方位和高度，可以畫出相互平行的視運(yùn)動軌跡圖(圖5)。

依據(jù)圖5，可以得出以下結(jié)論：①春秋分時，太陽直射赤道，該地太陽日出正東、日落正西，正午太陽在正北，且正午太陽高度角為80°；面北而立，太陽逆時針運(yùn)動；因春秋分全球晝夜平分，觀測者能夠見到的太陽軌跡的弧度為180°(參見圖5中a線)。

②6月22日時，太陽直射北回歸線，太陽日出東北、日落西北，該地正午太陽在正北，且正午太陽高度角為56°34′；面北而立，太陽逆時針運(yùn)動；因此時南半球晝長小于12小時，觀測者能夠見到的太陽軌跡的弧度小于180°(參見圖5中b線)。

③12月22日時，太陽直射南回歸線，該地太陽日出東南、日落西南，正午太陽在正南，且正午太陽高度角為76°34′；面南而立，太陽順時針運(yùn)動；因此時南半球晝長大于12小時，觀測者能夠見到的太陽軌跡的弧度大于180°(參見圖5中c線)。

3.非直射區(qū)

(1)以40°N為參照

圖6

依據(jù)規(guī)律①：觀測者觀測北極星仰角為40°。

依據(jù)規(guī)律②：不同時間狀態(tài)下太陽視運(yùn)動軌跡與觀測者觀看北極星視線垂直。

依據(jù)規(guī)律④：太陽在地平面以上和以下時間的數(shù)值關(guān)系存在著相等和不等關(guān)系，具體需要依據(jù)不同時間該緯度晝長來判斷。最后依據(jù)當(dāng)?shù)夭煌瑫r間正午太陽方位和高度，可以畫出相互平行的視運(yùn)動軌跡圖(圖6)。

依據(jù)圖6，可以得出以下結(jié)論：①春秋分時，太陽直射赤道，太陽日出正東、日落正西，正午太陽在正南，且正午太陽高度角為50°；面南而立，太陽順時針運(yùn)動；因春秋分全球晝夜平分，觀測者能夠見到的太陽軌跡的弧度為180°(參見圖6中a線)。

②6月22日時，太陽直射北回歸線，該地太陽日出東北、日落西北，正午太陽在正南，且正午太陽高度角為73°26′；面北而立，太陽逆時針運(yùn)動；因此時北半球晝長大于12小時，觀測者能夠見到的太陽軌跡的弧度大于180°(參見圖6中b線)。

③12月22日時，太陽直射南回歸線，該地太陽日出東南、日落西南，正午太陽在正南，且正午太陽高度角為26°34′；面南而立，太陽順時針運(yùn)動；因此時北半球晝長小于12小時，觀測者能夠見到的太陽軌跡的弧度小于180°(參見圖6中c線)。

(2)以40°S為參照

圖7

依據(jù)規(guī)律①：觀測者觀測北極星仰角為地平面以下40°。

依據(jù)規(guī)律②：不同時間狀態(tài)下太陽視運(yùn)動軌跡與觀測者觀看北極星視線垂直。

依據(jù)規(guī)律④：太陽在地平面以上和以下時間的數(shù)值關(guān)系存在著相等和不等關(guān)系，具體需要依據(jù)不同時間時該緯度晝長來判斷。最后依據(jù)當(dāng)?shù)夭煌瑫r間正午太陽方位和高度，可以畫出相互平行的視運(yùn)動軌跡圖(圖7)。

依據(jù)圖7，可以得出以下結(jié)論：①春秋分時，太陽直射赤道，太陽日出正東、日落正西，正午太陽在正北，且正午太陽高度角為50°；面北而立，太陽逆時針運(yùn)動；因春秋分全球晝夜平分，觀測者能夠見到的太陽軌跡的弧度為180°(參見圖7中a線)。

②6月22日時，太陽直射北回歸線，該地太陽日出東北、日落西北，正午太陽在正北，且正午太陽高度角為26°34′；面北而立，太陽逆時針運(yùn)動；因此時南半球晝長小于12小時，觀測者能夠見到的太陽軌跡的弧度小于180°(參見圖7中b線)。

③12月22日時，太陽直射南回歸線，該地太陽日出東南、日落西南，正午太陽在正南，且正午太陽高度角為73°26′；面北而立，太陽逆時針運(yùn)動；因此時南半球晝長大于12小時，觀測者能夠見到的太陽軌跡的弧度大于180°(參見圖7中c線)。

綜上所述，非極晝區(qū)域，當(dāng)太陽直射北半球時，太陽都是東北日出，西北日落；當(dāng)太陽直射赤道時，太陽都是正東日出，正西日落；當(dāng)太陽直射南半球時，太陽都是東南日出，西南日落；赤道地區(qū)是垂直日出，垂直日落；面北而立，太陽都在天空中逆時針運(yùn)動，面南而立，反之。

(二)極晝區(qū)域

1.與晨昏線相切的緯線

(1)以6月22日時的北極圈為參照

圖8

依據(jù)規(guī)律①：觀測者觀測北極星仰角為66°34′。

依據(jù)規(guī)律②：不同時間狀態(tài)下太陽視運(yùn)動軌跡與觀測者觀看北極星視線垂直。

依據(jù)規(guī)律④：此時此地太陽一直處于地平線上或以上。最后依據(jù)當(dāng)?shù)厝粘鎏柛叨冉呛驼缣柗轿缓透叨犬嫵鎏栆曔\(yùn)動軌跡圖(圖8)。

依據(jù)圖8，可以得出以下結(jié)論：6月22日時，太陽直射北回歸線，該地太陽日出正北、日落正北，正午太陽在正南，且正午太陽高度角為46°52′；面北而立，太陽逆時針運(yùn)動；因北極圈此時晝長為24小時，觀測者能夠見到的太陽軌跡的弧度為360°(參見圖8)。

(2)以12月22日時的南極圈為參照。

圖9

依據(jù)規(guī)律①：觀測者觀測北極星仰角為地平線以下66°34′。

依據(jù)規(guī)律②：不同時間狀態(tài)下太陽視運(yùn)動軌跡與觀測者觀看北極星視線垂直。

依據(jù)規(guī)律④：此時此地太陽一直處于地平線上或以上。最后依據(jù)當(dāng)?shù)厝粘鎏柛叨冉呛驼缣柗轿缓透叨犬嫵鎏栆曔\(yùn)動軌跡圖(圖9)。

依據(jù)圖9，可以得出以下結(jié)論：12月22日，太陽直射南回歸線，該地太陽日出正南、日落正南，正午太陽在正北，且正午太陽高度角為46°52′；面南而立，太陽順時針運(yùn)動；因南極圈此時晝長為24小時，觀測者能夠見到的太陽軌跡的弧度為360°(參見圖9)。

2.極點(diǎn)

(1)以6月22日時的北極點(diǎn)為參照

圖10

依據(jù)規(guī)律①：觀測者觀測北極星仰角90°。

依據(jù)規(guī)律②：不同時間狀態(tài)下太陽視運(yùn)動軌跡與觀測者觀看北極星視線垂直，此時此地太陽視運(yùn)動軌跡與地平圈平行。

依據(jù)規(guī)律④：此時此地太陽一直處于地平線以上。最后依據(jù)當(dāng)?shù)厝粘鎏柛叨冉呛驼缣柗轿缓透叨犬嫵鎏栆曔\(yùn)動軌跡圖(圖10)。

依據(jù)圖10，可以得出以下結(jié)論：6月22日時，太陽直射北回歸線，該地太陽高度一天之內(nèi)不變，其轉(zhuǎn)道面與地平圈平行；四周的方向皆為正南，仰視時，太陽逆時針運(yùn)動；因北極點(diǎn)此時晝長為24小時，觀測者能夠見到的太陽軌跡的弧度為360°(參見圖10)。

(2)以12月22日時的南極點(diǎn)為參照

圖11

依據(jù)規(guī)律①：觀測者觀測北極星仰角為地平線以下90°。

依據(jù)規(guī)律②：不同時間狀態(tài)下太陽視運(yùn)動軌跡與觀測者觀看北極星視線垂直，此時此地太陽視運(yùn)動軌跡與地平圈平行。

依據(jù)規(guī)律④：此時此地太陽一直處于地平線以上。最后依據(jù)當(dāng)?shù)厝粘鎏柛叨冉呛驼缣柗轿缓透叨犬嫵鎏栆曔\(yùn)動軌跡圖(圖11)。

依據(jù)圖11，可以得出以下結(jié)論：12月22日時，太陽直射南回歸線，該地太陽高度一天之內(nèi)不變，其轉(zhuǎn)道面與地平圈平行；四周的方向皆為正北，仰視時，太陽順時針運(yùn)動；因南極點(diǎn)此時晝長為24小時，觀測者能夠見到的太陽軌跡的弧度為360°(參見圖11)。

3.非極點(diǎn)和與晨昏線相切的區(qū)域

(1)以6月22日的80°N為參照：

依據(jù)規(guī)律①：觀測者觀測北極星仰角為地平線以上80°。

依據(jù)規(guī)律②：不同時間狀態(tài)下太陽視運(yùn)動軌跡與觀測者觀看北極星視線垂直，此時此地太陽視運(yùn)動軌跡與地平圈平行。

依據(jù)規(guī)律④：此時此地太陽一直處于地平線以上。最后依據(jù)當(dāng)?shù)厝粘鎏柛叨冉呛驼缣柗轿缓透叨犬嫵鎏栆曔\(yùn)動軌跡圖(圖12)。

圖12

依據(jù)圖12，可以得出以下結(jié)論：6月22日時，太陽直射北回歸線，該地太陽從正北地平線上升起、降到正北地平線上，正午太陽在正南，且正午太陽高度角為33°26′；面北而立，太陽逆時針運(yùn)動；因北極圈此時晝長為24小時，觀測者能夠見到的太陽軌跡的弧度為360°(參見圖12)。

(2)以12月22日的80°S為參照，同理，如圖13，此時，太陽直射南回歸線，該地太陽從正南地平線上升起、降到正南地平線上，正午太陽在正北，且正午太陽高度角為33°26′；面南而立，太陽順時針運(yùn)動；因南極圈此時晝長為24小時，觀測者能夠見到的太陽軌跡的弧度為360°

圖13

綜上所述，極晝的極點(diǎn)地區(qū)，仰視太陽，北極點(diǎn)逆時針運(yùn)動，南極點(diǎn)順時針運(yùn)動，且太陽運(yùn)動的軌道面與地平圈平行。與晨昏線相切緯線，若位于北半球，太陽從正北日出，正北日落；若位于南半球，太陽從正南日出，正南日落；其余極晝區(qū)域，若位于北半球，太陽在地平線以上的正北升起，降到正北地平線以上，若位于南半球，太陽在地平線以上的正南升起，降到正南地平線以上。

三、典型案例應(yīng)用

【例1】下圖是北半球某地某日太陽視運(yùn)動軌跡，日出時間為北京時間7時16分，日落時北京時間為19時16分，①處為此日太陽最高位置，②處為北極星，北極星高度比該日正午太陽高度小10°。據(jù)此回答(1)(2)題。

(1)該日最可能是

( )

A.五一前后 B.國慶前后

C.春節(jié)前后 D.元旦前后

(2)該地的經(jīng)緯度為

( )

A．40°N，101°E B．40°N，139°E

C．50°N，101°E D．50°N，139°E

【解析】先求出當(dāng)?shù)氐臅冮L為12時(19時16分-7時16分=12時)，而且能見到北極星，且不在赤道，說明直射點(diǎn)位于赤道(國慶前后符合)。要求點(diǎn)位于北半球，設(shè)北極星高度角為x,則正午太陽高度角為x+10°，帶入下午太陽高度公式：H=90°-|x-0°|=x+10°，推出x=40°N，通過晝長12小時，日出地方時為6時，北京時間(120°E地方時)為7時16分可以推出當(dāng)?shù)亟?jīng)度為101°E。

【答案】(1)B (2)A

【例2】下圖反映A地地平面觀察到的太陽視運(yùn)動過程圖，其中虛線圈為太陽視運(yùn)動軌跡，B為A地的天頂，C為太陽視運(yùn)動某一位置。讀圖分析(3)(4)題。

(3)當(dāng)太陽位于C位置，∠BAC=43°08′，北京時間為16：00時，A地的經(jīng)緯度位置為

( )

A.66°34′N，60°E B.46°52′N，90°E

C.43°08′N，150°E D.90°N

(4)關(guān)于A地自然地理環(huán)境的特征，敘述正確的是

( )

A．有長達(dá)近半年的極晝期

B．有廣闊的溫帶草原

C．有亞寒帶針葉林分布

D．是典型的溫帶海洋性氣候

【解析】從圖中可以看出，太陽從正北日出，正北日落，最高位置位于正南(即C點(diǎn))，因此該地的正午太陽高度H=90°-∠BAC=46°52′，地方時為12時(北京時間為16時，求出當(dāng)?shù)亟?jīng)度為60°E)，位于北半球，且與晨昏線相切。設(shè)直射點(diǎn)緯度為x，則該地緯度為90°-x，帶入正午太陽高度角公式H=90°-|90°-x-x|=2x=46°52′,因此x=23°26′N，當(dāng)?shù)鼐暥葹?6°34′N；最后可知道A點(diǎn)的位置為66°34′N，60°E，位于俄羅斯的烏拉爾地區(qū)，為亞寒帶針葉林氣候，分布的植被是針葉林，該地只有夏至日這一天出現(xiàn)極晝現(xiàn)象。