【過程設(shè)計(jì)】
1．原理
利用二分二至日，太陽光分別直射在赤道、南北回歸線上的特殊情況，用簡單的量具測量本地緯度。
若我們將陽光當(dāng)成平行光，陽光通過大氣出現(xiàn)的折射忽略不計(jì)，通過地軸的地球截面又可以視作圓形，則分別可以得到下列情況：
（1） 春分和秋分日
在這兩天，陽光都直射赤道（如圖1）。由于各地的緯度近似為該地向地心所作的連線與赤道平面的夾角，即為圖1中的
角，所以不難得出：所在地的陽光與水平面的夾角
和緯度
之間有：
=90°－
公式①
（2） 夏至日
在這天，陽光直射在北回歸線上（如圖2），即直射北半球
＝23°26′的緯度上。由幾何學(xué)知識(shí)可知，北回歸線以北各地的緯度
等于回歸線緯度與各地陽光與重垂線的夾角（90°－
）之和：
＝
＋（90°－
） 公式②
而北回歸線以南各地的緯度為兩者之差，如圖3，
即：
＝
－（90°－
） 公式③
（3） 冬至日
在這一天，陽光直射在南回歸線上（如圖4）。同樣可以得到各地緯度
等于該地陽光與重垂線之間的夾間（90°－
）與回歸線緯度之差，即：
＝（90°－
）－
公式④
這樣，我們只要在這4日中任意一天的正午，測試陽光與水平面之間的夾角
，就能依據(jù)上述4式之一算出某地的緯度
。
2．儀器準(zhǔn)備
鑒于課外監(jiān)測的精度要求不高，我們可以在課余自制一些簡單設(shè)備：
（1）自制盒式測傾器。取硬紙殼煙盒（或香皂包裝盒）兩個(gè)，一只作為外盒，一只作為內(nèi)盒。在內(nèi)盒一個(gè)外側(cè)貼上一硬紙片A作光屏，在外盒的一個(gè)上側(cè)面貼上兩張有小洞的硬紙片B、C，其大小相同，都彎成90°用雙面膠粘住，如圖5所示。再在外盒的外表面，貼上一張用量角器畫好角度數(shù)1/4圓的刻度紙，并使互相垂直的兩條刻度線與外盒的相鄰兩條棱邊平行。在刻度紙圓心o上垂直紙面插一根大頭針E，并穿過盒子的另外一面，使之固定。最后在E上懸掛一根栓有小重物（如小鐵珠）G的細(xì)線，這樣盒式測傾器便做成了。
（2）自制板式測傾器。取10×20平方厘米大小的一塊木板或者纖維板，在板面上畫或貼上同（1）中要求的以度等分1/4圓周的刻度或刻度板，再取兩顆細(xì)釘，一顆釘在平行于長棱邊的刻度線上，另外一顆釘在圓心o上，并在釘上掛一根系有小鐵珠的細(xì)線，見圖6。用這樣制成的板式測傾器測量得到的結(jié)果可更準(zhǔn)確些。
（3）普通量具。卷尺、大三角板、超過二米的直桿、重垂線和水銀水平尺等。
3.測量
選擇上述4個(gè)節(jié)氣中的任何一個(gè)（如秋分日）正午（前提是天氣睛朗），便可以用下面的方法進(jìn)行簡單測量。
（1）用測傾器。若用盒式測傾器，先調(diào)節(jié)硬殼煙盒使陽光穿過C、B紙片上的小孔，在A屏上出現(xiàn)光斑，再使重垂線刻度紙都處在同一豎平面中，此時(shí)重垂線所示角度為a。若使用紙板測傾器，方法相同，只要把圓心上釘子的影子遮住另外一只釘子就行了。
（2）用普通量具。
①室內(nèi)測量：通常取朝南開的窗或門，讓陽光射人室內(nèi)，用卷尺等量得門高或窗臺(tái)高為y，再量得門基到地面陽光的盡頭的距離為x，如圖7（或量得窗基到地面初露處的距離為x,如圖8),由于門窗都垂直于地面，因此，所求的
角為arctg（y/x)。
②室外測量：把一根帶有重垂線的直桿插在經(jīng)過水銀水平尺檢測過的平地上，讓桿與重垂線重合，并使桿與地面垂直（圖9），同樣測得桿高y和地面影子長x。再用手指指在桿上離地1米等不同位置，同樣可量得指高y′及相應(yīng)的指高的影子長x′。移動(dòng)手指的位置，可得到多組指高與影子長的比值，取其平均值來計(jì)算出角。
4．示例
筆者曾在過去兩年的秋分日，在剛學(xué)完“地球的公轉(zhuǎn)”后，組織學(xué)生用上述方法進(jìn)行了學(xué)校緯度簡測。兩個(gè)班級(jí)分別把測到的結(jié)果平均值代入公式①，得出測試地緯度約為31°18′，這與學(xué)生查閱有關(guān)資料和用GPS儀等測試結(jié)果31°16′04″差距不大。可見，學(xué)生用此類簡易辦法測到的結(jié)果還是基本準(zhǔn)確的。
5．拓展
（1）是否可以設(shè)計(jì)更多有效的測試當(dāng)?shù)鼐暥鹊暮喴坠ぞ呋蜣k法，并通過測試比較它們的精度；
（2）討論提高制作的簡易測量工具精度的辦法（3）嘗試制作簡易的日晷，對本地太陽高度的變化規(guī)律進(jìn)行深入研究。
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