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五年级下科学教参(地球的运动)

发表时间:2015-1-5  浏览次数:2822  
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                                   第四单元地球的运动
一、单元概述
地球的运动是很复杂的,除了公转和自转以外,还有其他许多运动,例如,和太阳系一起参与银河系的运动。严格地说,地球的运动是多种运动的复合。即便是公转,也不是简单地绕太阳作椭圆运动。由于本单元是针对小学五年级学生的,因此只研究与人类关系最密切的两种运动:自转与公转。
五年级的学生,通过电视或书籍,大多数都已经知道地球在自转并且围绕太阳公转这一科学事实。但如果让学生说出自转或公转的证据,那就太少了。深人地了解学生有关地球运动的前概念,会发现一些真实、朴素但错误的观点:1.太阳沉到地下去了,黑夜就来临了。南北半球的昼夜相反(不知地球在自转和公转中的姿态)。2.昼夜现象与月球有关,因为天黑了月亮就出现(简单地把两个现象相连)。3.地球自转的方向可能是从西向东(不知道该如何确认自转方向)。4.地球可能是在运动,但我们感觉不到(不知如何寻找参照物)。5.四季的形成跟地球离太阳的远近有关,离太阳近时是夏季,离太阳远时是冬季……学生的诸多认识,和早期人类对地球及其运动的认识十分相似。
本单元要让学生重演人类对地球运动的探究过程。基于可观察到的现象和事实,运用相对运动、参照物、模拟再现等原理和方法进行推理、论证,最终认识地球是如何运动的。在这一过程中,需要学生多角度地、持续地收集地球运动的证据,如:资料、理论、模拟实验的结果等,需要对证据进行批判性的逻辑加工,还需要具有一定的空间想象力。这些都对学生的探究能力提出了一个较全面的挑战。
教科书采用了多种学生所能接受的方式引导他们进行探究。如模拟实验、游戏、代表性的资料等。这些方式不仅会让学生感到有趣,而且还能促进他们的思考,使他们认识到:复杂而不可直接观察的地球运动,是可以被理解和认识的。
“地球的运动”,共有8课。前5课的教学内容,主要研究地球的自转,后面3课,研究公转和与地球运动相关联的现象:四季和极昼极夜。最终让学生认识到地球在逆时针自转和公转,自转产生昼夜现象,公转时由于地轴倾斜产生了四季和极昼极夜现象。
第1课,“昼夜交替现象”。让学生从熟悉的昼夜现象开始研究地球的运动,试着从地球和太阳的运动关系人手,来解释昼夜现象。学生的解释可能是多种多样的,但所有的解释都要求得到模拟实验的证据支持。通过实验,学生可能会发现更多的解释和解释的共同性:只要地球和太阳处于相对圆周运动都有可能产生昼夜现象。
第2课,“人类认识地球及其运动的历史”。让学生了解人类认识地球及其运动中最具代表性的观点:地心说和日心说,关注并讨论两种学说所使用的证据,反思自己有关昼夜现象的解释。在这一课中,书中并未对两种学说进行简单的评价,希望这两种学说和学生的认识产生积极的碰撞,促进学生更理性地思考地球是如何运动的。
第3课,“证明地球在自转”。运用关键性证据证明地球在自转。教科书为了帮助学生理解傅科摆的原理,设计了傅科摆的模拟实验,让学生体验摆具有保持运动方向不变的惯性。教科书还以资料的形式再现了当年的实验,让学生了解人类是如何证实地球在自转的。引导学生再次修正他们有关昼夜现象的解释。
第4课,“谁先迎来黎明”。借助学生在生活中的经验来认识相对运动,并根据地球以外的参照物确认地球自转的方向。学生确认了地球自转的方向后,对于不同地区谁先迎来黎明会有正确的判断。教科书中对于时区有所涉及,希望学生展开更多的研究。
第5课,“北极星‘不动’的秘密”。让学生对于北极星“不动”进行解释。引导学生认识地球围着地轴自转,初步认识地轴是倾斜的。并根据北极星一年四季的位置不变,认识地轴倾斜的方向一直保持不变。为认识四季的成因埋下伏笔。
第6课,“地球在公转吗”。让学生认识历史上证明地球公转的关键性证据——恒星的周年视差。本课仍以模拟实验的方式让学生体验:处于公转轨道的不同位置,会看到远近不同的恒星有视觉上的位置差异。视差的存在就是公转的证据。教科书提供了相关的史料,让学生了解地球公转是如何被人们证实的。
第7课,“为什么一年有四季”。提供了古人研究四季的资料,让学生通过研究地球仪上杆影的长短变化来认识四季的形成跟地球的公转和地轴的倾斜相关。
第8课,“极昼和极夜的解释”。该课提供了一个机会,让学生综合运用前面所学的知识来解释极昼极夜现象。让学生认识到极昼极夜现象与地球公转、自转和地轴倾斜有关。
二、单元教学目标
科学概念
●地球确实在自转和公转;证据不仅有来自人造地球卫星的观测,还有来自观察或实验的多种现象。
●傅科摆是历史上证明地球自转的关键性证据。
●地球自转的方向是逆时针(自西向东),周期为24小时,地球围绕地轴自转,地轴是倾斜的。
●与地球自转相关联的现象有:昼夜现象,不同地区迎来黎明的时间不同,看上去北极星不动等。
●恒星周年视差是历史上证明地球公转的关键性证据。公转过程中,地轴倾斜方向保持不变,因此形成了四季和极昼极夜现象。
过程与方法
●对地球的运动进行较系统、持续和细致的探究。
●根据所要模拟的对象特征做模拟实验。
●通过观察、模拟实验、收集资料等多种途径和方法,收集有关的证据。
●对获得的证据进行批判性选择和思维加工,最终形成解释。如解释有多种可能性,需进一步探求证据。
●利用文字、图表、图画等方式描述观察、实验和测量的结果,并且能对观察结果进行分析。
●运用口头或书面、文字或图画的形式,有日的地进行探究活动的公开交流。
情感态度价值观
●培养尊重事实、重视证据的科学态度。
●懂得在探究活动中,需要审视观察到的事实和探究所获得的证据。这些事实或证
据,在不同的参照系中可能有着不同的作用。
●认识到科学是发展的,科学知识是长期探究、不断修正的结果。
●培养愿意与他人合作,乐于交流的学习态度。

第1课昼夜交替现象
(一)背景和目标
昼夜现象的形成跟太阳光的照射,地球是球体,球体不断自转三个因素相关。一部分学生能够认识到这些,但大多数学生还不能。本课主要让学生展示他们对昼夜现象的看法。设计了三个有层次的活动:一是学生自由发表有关昼夜交替现象的假说;二是做有关昼夜现象的模拟实验;三是根据模拟现象提出有根据的多种可能的解释,并对这些解释进行分析。
教学活动开始时,让学生发表有关昼夜交替现象的解释,可以借此了解学生原有的有关地球运动的认识。学生的解释可能有多种,有的甚至是错误的。教师将有机会评估学生在本单元学习前有关地球运动的原有知识,学生也会在交流过程中对他人的观点进行借鉴和批判。
做模拟实验的活动,是让学生借助光照射到球体上,会在球体上形成亮面和暗面,来模拟昼夜交替现象,探究形成球体上亮暗交替现象的多种可能性一发光物体与球体的多种运动模式。这一活动可以活跃学生的思维,打开学生的思路。
希望学生能够运用示意图对昼夜现象的形成进行解释。日地运动的示意图可以较直观地表现地球和太阳之间的运动关系,也有利于学生的分析。学生通过分析,可以初步认识到日地之间的相对圆周运动形成了昼夜现象。
科学概念
●昼夜交替现象有多种可能的解释。
●昼夜现象与地球和太阳的相对圆周运动有关。
过程与方法
●提出地球产生昼夜现象的多种假说,并且进行验证。
●做好模拟实验和运用实验收集的证据。
●根据实验的情况修正自己的解释。
情感态度价值观
●认识到积极参与讨论,并发表有根据的解释是重要的。
●认识到同一现象,可能有多种不同的解释,需要用更多的证据来加以判断。
●培养主动探究,积极合作的态度。
(二)教学准备
给每组学生准备的材料:小球一个、蜡烛一支(或电筒一个)、火柴、白纸、水彩笔、小组记录表等
(三)教科书说明
第一部分:昼夜交替的假说
让学生对昼夜交替现象提出自己的观点。教师可以从中了解学生的初始想法,关注学生是否从地球和太阳运动的角度来提出昼夜现象的假说。
学生一开始可能只会提出地球自转形成昼夜现象的观点。教师可启发学生,还有没有其他的可能性?
教科书列举的四种情况都可能发生昼夜交替现象。这些举例目的是打开学生的思路,引导学生从地球和太阳的相对运动来解释昼夜。
第二部分:昼夜交替现象的模拟实验
模拟实验的作用在于检验假说。
要求学生了解如何做模拟实验是必要的。即首先要找出模拟对象的特征,然后用具有相似特征的材料或物体来代替所要模拟的对象,通过对材料或物体的研究来形成认识。
让学生认识到实验材料与模拟对象的相似性也是重要的。因此教师在教学中要问学生,我们模拟的对象是什么?它们有什么地方相似?
让学生选取几种假说来做模拟实验,在实验中要提示学生:观察到什么,才能说明乒乓球上发生了“昼夜交替”现象?发生“昼夜交替”现象时,“太阳”和“地球”在如何运动?
教科书是用乒乓球代表地球。如有条件的学校,可用小地球仪来代表地球,这样更逼真,效果更好。在使用地球仪时,一定要将球体从旋转支架上取下来,这与后面的教学内容相关。
在模拟实验中,教师要鼓励学生发现产生昼夜交替现象的其他可能性。如地球绕另一圆心公转;地球在自转,太阳绕另一圆心公转;地球和太阳在同一轨道上,地球自转等。
可以让学生用示意图的方法来记录模拟实验。示意图直观形象,便于全班交流。
第三部分:有多少种可能的解释
让学生在模拟实验研究的基础上提出解释,借此可以观察学生:是否有了新的解释方法?解释时是否用模拟实验作为证据来支持解释?是否能批判性地质疑或接纳别人的观点?
让学生学着分析各种解释,从中找到这些解释的共同特点:地球和太阳作相对的圆周运动,都可能产生昼夜交替现象。
让学生把有代表性的解释张贴出来,或将学生认可的各种解释整理记录下来,张贴在教室的墙上。这对后面的教学将有积极的作用。
(四)教学建议
1.课堂引入:我们知道地球上有白天和黑夜,而且白天和黑夜是交替出现的。你们如何解释这一现象呢?
2.请学生对昼夜现象发表自己的观点。
3.针对学生的假说,教师问:还有其他的可能性吗?我们又该如何判断这些假说是否正确呢?
4.如学生不能说出多种假说,教师可提示书中的四种假说,并问在这种情况下,地球上会发生昼夜交替现象吗?
5.模拟实验。
(1)为了证明这个问题,我们来做模拟实验。如何做模拟实验呢?
用一个小球代表地球,点燃蜡烛或打开手电筒,用蜡烛光或电筒的光表示太阳光,让“太阳光”照射在“地球”上。
(2)观察:“地球”的哪个部分被“太阳光”照亮?哪个部分没有被照亮?想一想,这两部分分别相当于一天中的什么时间?
(3)你们用实验的方法检验了哪种假说?观察到了什么,才能说明“地球”上确实发生了昼夜交替现象?
(4)让“地球”上出现昼夜交替,还有其他的方法吗?
(5)用示意图画下所有可能的实验方法。
6.交流、分析:
(1)向大家汇报小组的研究结果。
(2)教师记录下学生的解释。
(3)教师和学生一起分析:
这些昼夜交替现象的解释成立吗?
这些解释有什么相同的特点吗?
在没有新的证据前,前面哪些有关昼夜交替现象的解释暂时是正确的?
7.教师小结:通过大家的验证,认为好几种情况都可能使地球发生昼夜交替的现象。
那么,地球产生昼夜交替的真正原因是什么呢?我们将在下节课继续研究。也请同学们
回去查阅这方面的资料,看看科学家是怎样研究得出结论的,并把查到的资料带到课堂
上来。
(五)评价建议
收集各小组的昼夜交替现象解释的示意图,从以下几个方面评价学生:
1.解释方法的多少。
2.示意图是否清晰地反映了日、地运动的关系。
3.是否用恰当的词汇解释了示意图,如自转、公转等
第2课 人类认识地球及其运动的历史
(一)背景和目标
要知道地球产生昼夜交替的真正原因,必须认识地球的运动。这节课提供了有关人类认识地球及其运动的史料,让学生继续研究昼夜交替的原因。
人类认识地球及其运动,历史上两个有代表性的学说,即“地心说”和“日心说”。
“地心说”也称“地球中心说”“地静说”。认为地球居于宇宙的中心静止不动,太阳、月球、行星和恒星都围绕地球运转。这一学说最初是古希腊哲学家亚里士多德(前384~前322)提出的。公元140年前后,天文学家托勒密进一步发展了前人的学说,建立了宇宙地心说。在16世纪“日心说”发表之前的一千多年中,“地心说”一直占统治地位,并长期为教会所利用。由于这一学说没有反映行星运动的本质,经不起长时间的观测检验,后来为哥白尼的“日心说”所推翻。
“日心说”又称“太阳中心说”“地动说”“日静说”。认为太阳是宇宙的中心,地球和其他行星都围绕太阳运动。古希腊天文学家阿里斯塔克在公元前3世纪就已提出了这种看法,但没能进一步论证。直到16世纪,“日心说”才又由波兰天文学家哥白尼正式提出,并作了较系统的理论论证。哥白尼认为地球是一颗普通的行星,发动了宇宙观的革命。
本课不仅提供了两种学说,还选择性地提供了两种学说的一些主要观点。书中提供的证据有一些属于理性的推理,而非来自天文的客观观察。希望学生认真对证据进行比较,自由地对所提供的证据提出个人的看法,并将这些证据和他们关于昼夜现象的解释
结合起来。
科学概念
●“日心说”和“地心说”中有关地球及其运动的观点都可以解释昼夜交替现象。
过程与方法
●对历史上有关地球运动的假说进行分析,批判和借鉴其中的观点,修正自己对昼夜的解释。
情感态度价值观
●认识到科学的观点是建立在证据之上的。
●认识到同一现象,可能导致有不同的解释,需要用更多的证据来加以判断。
●认识到在资料分析和交流中,大胆质疑和虚心接受同样重要。
(二)教学准备
给全班学生准备:有关“地心说”“日心说”的资料、课件和图片。
(三)教科书说明
第一部分:有多少种可能的解释
地心说
教科书选取了托勒密《天文学大成》中的一些观点。鉴于学生的理解力,并没有展示他学说中的有关本轮、均轮等观点,呈现的是地心说的代表性观点:地球是球体、地球不动、地球位于宇宙的中心。
对于“地心说”观点的论证,托勒密采用了一些可观察到的日常事实或现象加以证明。这些事实或现象也是学生可以观察到的。但有些论据与所要论证的观点没有必然联系,如云彩的变化。
在教学中,可以试着让学生对这些论据展开讨论,这将有利于发展学生的思维能力和提高证据意识。
第二部分:日心说
日心说观点
教科书中选择了与“地心说”相对应的三个主要观点。借此进行比较,有利于学生形成正确的宇宙观。
在哥白尼《天体运行论》中,用了大量的观察数据来论证他的观点。但教科书没有选用这些数据和详细的论证过程,因为学生没有观察的基础,不能理解。教科书中的一些论据,也出自《天体运行论》,它带有较明显的思辨色彩,即事实论据不多,如地球的自转和公转。这也反映了当时哥白尼尚未获取地球自转和公转的直接证据。
第三部分:对两种学说进行分析比较
让学生对这两种学说进行分析比较,有助于学生原有认识和两种学说产生冲突或同化,使学生更加关注人类最终是如何形成地球运动的共识的。
两种学说的相同点是,地球是球形。不同点是,“地心说”认为地球不运动,处于宇宙中心,太阳围着地球运动;“日心说”认为地球在运动,并且围绕太阳运动,所以它不处于宇宙中心。
这两种学说都能解释昼夜交替现象,是因为天体的相对圆周运动都可导致昼夜现象发生。在没有新证据的情况下,很难分清到底哪一种运动才是昼夜交替现象发生的真实原因。
第四部分:修正昼夜现象的解释
回忆人类认识地球运动的历史,可以帮助学生修正自己对昼夜交替现象做出的解释。
希望修正解释的结果,学生还能保留他们的多种解释:如地球围绕太阳公转同时自转、太阳围绕地球转、太阳围着自转的地球公转等。也就是说,希望学生明白,在没有
新证据时,不能轻易对解释加以否定。
如果学生只保留一两种解释,希望教师引导学生列出保留的理由,即证据是什么。
(四)教学建议
1.引入。
上节课我们通过实验发现教科书上提到的几种假设都有可能使地球上发生昼夜交替。那么人类是如何认识地球和地球的运动的呢?让我们了解主要的学说和观点。
2.投影“地心说”的观点和论据。请学生思考:
“地心说”的主要观点是什么?
托勒密是如何来证明他的观点的?
你们如何看待他的观点和证据?
他的观点能解释昼夜交替现象吗?
3.了解“日心说”。请学生自行阅读。
4.分析讨论:
“日心说”和“地心说”有哪些相同点,哪些不同点?
“日心说”是如何反驳“地心说”的观点的?
你们认为“日心说”的证据充分吗?
如果按这两种学说的观点来做实验,昼夜交替现象都能发生吗?
你们还有哪些新的资料或证据要和大家交流吗?
5.修正对昼夜交替现象的解释。
请学生在讨论完毕之后,修改自己原来有关昼夜现象的解释。
要排除或保留哪一种解释?为什么
第3课 证明地球在自转
(一)背景和目标
人们在长期的观察中,已经发现了一些可以说明地球在自转的论据:1.天体的周日视运动(太阳、月亮和星星每天东升西落的现象)。这种现象可以用地球自转来解释,但也可以用地心说的观点一天弯围地转来说明(当然以现在的证据来看是错误的)。2.地球上水平直线运动的物体,会发生偏向现象,在北半球向右偏,在南半球向左偏。这些现象都是地球自转的结果。但这种现象,学生是较难观察到的。
教科书选取了“傅科摆”作为地球自转的实证。傅科摆摆动以后,除受重力外,没有受到其他力的作用,由于惯性,摆摆动方向是不变的。当观察者推动静止的摆锤沿子午线作南北方向的摆动,经过一段时间以后,就会看到摆动方向与子午线方向发生了偏转,从而证明地球在自转。
傅科是用一种特殊的摆来进行实验的。特殊性在于这个摆的摆长是60余米的纤细金属丝,摆锤是一个重27千克的铁球。选用较长的金属丝,是为了让摆动的时间达到足够的长;选用较重的摆球,是为了增加摆本身的惯性和动量,同时防止空气的流动对实验的影响。鉴于此,一般的学校是没有一个较高的且可封闭的室内环境来做一个傅科摆实验的。当然如有条件,完全可以动手做一做。
不能做傅科摆,但不妨碍学生理解傅科摆的原理。教科书设计了一个活动,让学生通过动手实验来认识摆具有保持摆动方向不变的特点,从而理解“傅科摆”何以证明地球在自转。
科学概念
●摆具有保持摆动方向不变的特点。
●“傅科摆”摆动后,地面的刻度盘会与摆的摆动方向发生偏移,这可以证明地球在自转。
过程与方法
●通过摆的实验探究,了解摆的特点,并借此理解“傅科摆”的原理。
●通过提供的有关“傅科摆”的资料,理解人类是如何直接证明地球在自转的。
情感态度价值观
●懂得地球自转是需要实证的。
●认识到地球的自转虽无法直接观察到,但通过实验,仍可以证实。
(二)教学准备
给每组学生准备:单摆一个、支架一个、可转动的圆盘一个。
给全班学生准备:“傅科摆”的资料,有关地球“同步”卫星的资料。
(三)教科书说明
第一部分:摆的特点
让学生通过实验,认识摆具有保持摆动方向不变的特点。这其实是摆的惯性使然。
为确保实验效果良好,摆锤应稍重一些,摆线应稍长一些,特别注意提醒学生要平稳而缓慢地转动底盘,尽可能减少外力对摆运动方向的影响。在做实验时,还要要求学生不要晃动桌子、不要对着摆吹气、不要让风吹动摆等,以免影响实验效果。
本实验需要的转动圆盘,最好是用餐桌上的转动盘。如无,可用一块普通的木板,在木板的中心处钉上一枚钉子,用来作为木板转动的轴。使用时,要求学生扶平木板,使其平稳缓慢地转动。
实验时,让学生朝某一方向摆动摆,并记下摆动的方向,如前后来回,或左右来回。再转动底盘,每90度记录一次。学生会发现,底盘转动了,而摆未改变摆动方向。摆的支架转动360度后,摆依然未改变方向。
实验后,要请学生总结,摆是否具有保持摆动方向不变的特点。还可让学生作一个假设:如果在地球平面上立一个巨大的摆,当地球这个底盘转动后,过一段时间会看到什么现象?这个现象说明了什么?这个现象可帮助学生认识为什么傅科摆能作为地球自转的证据。
第二部分:傅科摆
教科书提供了傅科摆作为地球自转证据的史实资料。
教师可用一些问题激发学生思考。傅科摆是一个特殊的摆,它特殊在什么地方?傅科摆摆动后,发生了什么现象?为什么资料说人们亲眼看到了地球的自转?
展示北京天文馆的傅科摆资料,说明傅科摆是一个可重复验证的实验,绝不是一个偶然。今天人们依然可以通过傅科摆看到地球的自转。有条件的学校,做一个傅科摆演示给学生看,将极大地激发学生的兴趣。
引导学生收集更多证明地球自转的资料,可以让学生更多地了解证明地球自转的证据,也会让学生认识到地球自转所产生的影响。教科书后面的资料库也提供了这方面的资料供学生阅读。
第三部分:对昼夜现象进行解释
这一活动要求学生继续对昼夜交替现象的解释进行处理和修正。
建议学生对前面的解释进行再次讨论。在所有的解释中,将凡有地球自转的一类保留下来,地球不动的一类应当排除。地球公转的一类在未有新证据判定之前,也应保留下来。
(四)教学建议
1.引入。
怎样才能证明地球是在不停地自转呢?我们如果能通过实验的方法知道就好了。
2.认识摆的特点。
(1)介绍傅科的发现。
(2)指导学生做摆的实验,让学生了解做实验的注意事项:底盘平稳缓慢地转动,减少其他外力对摆摆动方向的影响,做好观察记录等。
(3)小组汇报实验情况和结论。
3.认识地球自转的证据一“傅科摆”。
(1)阅读书中的资料。
(2)提问,“傅科摆”是怎样一种特殊的摆?你们认为为什么要这样设计呢?(摆线长,摆动时间长;摆锤重,防止气流等外力对实验的影响)
“傅科摆”摆动后发生了什么现象?
为什么说人们亲眼看到了地球的自转?
现在还能看到“傅科摆”吗?
4.拓展。
(1)你们还知道哪些证明地球自转的证据?
(2)补充有关地球上水平运动物体发生偏向的现象和人造卫星的观测结果。
5.对昼夜现象的解释进行讨论。
(1)对原来有关昼夜现象的解释,你们需要修改吗?
(2)你们认为哪些解释是正确的,哪些可以排除掉?为什么
第4课 谁先迎来黎明
(一)背景和目标
地球上的不同地区,谁先迎来黎明?这实际上涉及到地球自转方向和时区的问题。本课在学生认识地球自转的基础上,重点探究有关地球自转方向的问题。
学生在做地球自转模拟实验的过程中,会认识到自转的方向不同,北京和乌鲁木齐看到太阳的时间就不相同,即黎明到来的时间有先有后。如何确定地球自转的方向就成了需要解决的重要问题。
人们是通过天体的周日视运动来认识地球的自转方向的。哥白尼已经指出,天体每天东升西落的现象,不是天体的真实运动,而是地球自转导致的。本课教学就是指导学生根据太阳东升西落的现象来推理地球的自转方向。由于相对运动,人们看到日月星辰的运动的方向刚好和地球自转的方向相反,观察天体的周日视运动方向,就可以得知地球的自转方向。因此有必要先让学生建立相对运动的概念。
教科书安排了几个活动帮助学生建立相对运动的概念。这几个活动是从易到难展开的。先是启发学生联想生活中熟悉的车、船与自然景物相对运动的现象。人坐在向前行
驶的汽车里,会看到路旁的树向后退;当车向后行驶时,会看到路旁的树向前进。人坐
在转椅上旋转时,会看到周围的景物在转动,而实际上它们根本没有动。当学生认识到
这一切都可以通过相对运动来解释时,就自然会根据太阳的视运动一东升西落来解释地球自转的方向了。
地球上的不同地区,迎来黎明的时间相差多少呢?希望学生能够关注到地球仪上的经线,并且能够根据不同地区的经线差来计算两地的时差。这实际上需要学生综合运用地球自转方向及地球自转周期的知识来解决。
在计算过程中,可能会涉及到日期变更线问题。这将有助于激发学生的兴趣,在课后继续探究。
科学概念
●天体的东升西落是因地球自转而发生的现象。
●地球自转的方向与天体的东升西落相反,即逆时针或自西向东。
●地球的自转方向决定了不同地区迎来黎明的时间不同,东边早西边晚。
●不同地区所处的经度差决定了地区之间的时差。
过程与方法
●通过生活经验和体验活动,理解相对运动,并用来解释太阳等天体的视运动。
●根据天体视运动的方向推导地球自转的方向。
情感态度价值观
●初步知道因参照物的不同,对物体的运动需要从多角度去认识。
●在活动中培养小组合作精神。
(二)教学准备
给每小组学生准备:两张白纸、水彩笔、地球仪一个。
给全班学生准备:世界时区图一张、转椅一把。
(三)教科书说明
第一部分:谁先迎来黎明——地球自转方向如何
研究北京和乌鲁木齐谁先迎来黎明,其实就是研究地球的自转方向。由于地球是一个球体并且在自转,所以在地球上所处的相对地理位置(经度)不同的地区迎来黎明的时间先后不同。确定不同地区的地理位置关系和确定地球自转方向是研究黎明到来先后的两个先决条件。
不同地区的地理位置关系可以通过地球仪来确认。教科书先让学生通过地球仪来确定北京和乌鲁木齐的地理位置关系,然后做模拟实验。
教科书中设计了一个地球自转的模拟实验,让两个学生分别代表北京和乌鲁木齐,但一定要注意他们的位置关系。即相对于代表“太阳”的观察者来说,北京在右在东,乌鲁木齐在左在西,这也和我们观察地球仪上两者的位置东西关系是一致的。
活动时可以让代表地球的所有学生同时转动,让代表“北京”和“乌鲁木齐”的学生见到“太阳”就示意一声。学生们可以从他们发声的先后关系来判断他们谁先迎来“黎明”。但由于转动方向不同,迎来“黎明”的时间先后就不同。自西向东或逆时针方向转时,北京先迎来黎明;自东向西或顺时针转时,乌鲁木齐先迎来黎明。所以,地球自转方向不同,迎来黎明的时间也就不同。如何确定地球自转的方向就自然成为需要继续探究的问题。
第二部分:确认地球自转的方向
地球是朝哪个方向自转的?要解决这个问题,就必然让学生建立相对运动的概念。
教科书安排了几个活动帮助学生建立这个概念,这几个活动是从易到难展开的。先是启发学生联想生活中熟悉的车、船与周边景物相对运动的现象。人坐在向前行驶的汽车里,会看到路旁的树向后退;当车向后行驶时,会看到路旁的树向前进。通过这个活动,学生可以初步知道景物视觉上运动方向与车的运动方向是相反的。再让学生坐在转椅上观察周围的物体,他们可以观察到,转椅转动的方向和周围的物体相对运动的方向是相反的。以上这些观察到的事实可帮助学生初步建立相对运动的概念——运动和静止是相对的,在运动的物体上观察其他静止的物体时,静止的物体朝相反的方向运动。教学中,我们并不需要学生归纳出这样的一段话来,学生明白这个原理就可以了。
接下来,让学生在知道了相对运动的基础上进行想象和推测。通过前面的学习,学生们已经知道地球在自转。地球就好比一个巨大的转椅,如何知道地球自转的方向呢?根据相对运动的原理,既然太阳的运动方向是东升西落,那么地球运动的方向就应该是自西向东或逆时针方向了。
北京和乌鲁木齐谁先迎来黎明的问题这时就可以得出答案了——是北京先迎来黎明。
第三部分:时区及时差
这部分内容实际上是对地球自转方向和地球自转周期的综合认识。
要知道北京和乌鲁木齐或其他大城市之间迎来黎明的时间相差多少小时,需先确定地区之间的位置关系——东西方向和经度相差多少。
可以让学生先试着根据时区图来计算不同地区相差多少小时。学生可以很快地根据时区差来判断它们之间的时差,同时根据时区之间的东西方向来确认谁先迎来黎明。
部分学生可能会对时差问题提出异议,特别是对处于国际日期变更线附近的两个地区。这时需要教师加以说明。即国际日期变更线是人们的一个规定,就像0º经线一样,原则上以180º经线作为地球上“今天”和“昨天”的分界线,东经180º比西经180º早一天。
第四部分:小结地球及其运动的特点
让学生总结前一段时间的学习,表格中需填写的正确内容分别是:球形、傅科摆、
自西向东或逆时针、24小时或一天。
(四)教学建议
1.引入。
我们已经知道地球在自转,由此产生了昼夜现象。那么,地球上不同的地区迎来黎明的时间相同吗?比如,北京和乌鲁木齐,谁先迎来黎明呢?
2.学生交流他们对这个问题的看法。
3.教师和学生一起确定如何解决这个问题。
(1)要知道两个城市的地理位置;
(2)要知道地球是如何自转的。
4.给每个小组一个小地球仪,让他们观察地球仪,并找到北京和乌鲁木齐的相对位置。然后问学生:它们谁先迎来黎明呢?
5.做模拟实验来解决这个问题。教师指导学生分小组研究,要求其中两个同学分别代表北京和乌鲁木齐,一个同学代表太阳。
6.模拟实验后讨论:北京和乌鲁木齐,谁先迎来黎明?
为什么会出现不同的情况?
在什么情况下,北京先迎来黎明?在什么情况下,乌鲁木齐先迎来黎明?
地球自转方向到底是怎样的呢?
7.确认地球自转方向。
(1)引入:为了弄清地球是朝哪个方向自转的这个问题,让我们来联想一些熟悉的现象:
①当你坐在快速向前行驶的汽车里,看到路旁的树、房子等物体是怎样运动的?(人
坐在向前行驶的汽车里,会看到路旁的树、房子等物体向后退)
②你们坐过转椅吗?请一同学来做实验。如转椅顺时针转动时,你看到周围的物体
在如何运动?逆时针方向转动呢?
③在生活中,你们还知道有哪些类似的现象?
(2)讲解:当我们随同车、转椅一起运动的时候,会看到车、转椅以外的景物向相反方向运动;同时,通过观察车、船以外的景物的运动方向,可以判断我们乘坐的车船的运动方向。
(3)拓展:我们可以根据物体间相互运动的关系,推想地球的运动状况。假如地球是一个大转椅,你们如何知道它自转的方向?
根据太阳东升西落的现象,你们知道地球的自转方向了吗?
北京和乌鲁木齐谁先迎来黎明?
8.认识时区和时差。
(1)提问,北京比乌鲁木齐早几个小时先迎来黎明呢?
(2)出示世界时区图,请学生分别找出北京和巴黎、北京和纽约的日出时间分别相差多少小时,并且说说理由。
(3)教师简单介绍时区图。
9.总结地球运动的几个特点:运动方向和方式、周期、证明地球自转的证据。
10.布置任务:每个学生晚上观察北极星和北斗七星
第5课北极星“不动”的秘密
(一)背景和目标
长时间对着北极将星体的周日运动拍摄下来,可以发现星体在顺时针旋转,北极星处于天体旋转的圆心附近。学生已经知道地球的自转及自转的方向,所以能够解释天体的顺时针旋转现象。但对于北极星“不动”的原因解释还有一定的困难。
教科书安排了几个有层次的活动来帮助学生形成解释。一是直接用图片旋转来再现北极星的“不动”,让学生明白北极星处于旋转的天体形成的同心圆的中心;二是让学生结合坐转椅的经验,理解如果保持视线的中心不动,也可以再现周围物体绕视线中心旋转的现象;三是让学生根据陀螺转动的情况,理解地球的自转是围着轴心运动的;四是让学生用地球仪做模拟实验,思考如何将地球仪转动,才能让地球仪上的人观察到北极星不动;五是让学生根据书中的示意图和地球仪,认识地球绕轴自转。每一个活动,都在一定程度上启发学生对北极星“不动”的秘密进行解释。
这些活动也将为他们认识四季的成因奠定基础。
科学概念
●天空中星星围绕北极星顺时针旋转,北极星相对“不动”,是地球自转产生的现象。
●从北极星在天空中的位置可推测出地轴是倾斜的。
过程与方法
●结合地球运动的特点,合理解释北极星为何“不动”。
●根据星星的运动情况、模型和生活中的事例,推测地球自转的特点地球绕轴运
动。
情感态度价值观
●意识到对科学现象的解释需要得到证据的支持和从已知出发进行推理。
●认识到多方面、多角度收集证据,有助于更好地进行解释。
●在活动中培养小组合作精神。
(二)教学准备
给每组学生准备:南北极天体夜间图片两张、硬纸片一张、地球仪一个、皮球一个。
给全班学生准备:转椅一把、四季星座运行图。
(三)教科书说明
第一部分:天体的夜间周日视运动
因地球自转,天体在夜间仍发生东升西落现象。不过夜间的天体视运动与白天太阳的东升西落稍有不同的是,星星们以北极星为轴心东升西落,人们可以较明显观察到转动的中心。而且北极星附近的星体,因转动半径小而不会沉落到地平线下。
教科书第82页右上图为人们拍摄到的北极星附近的天体视运动情况。可以较明显地看到星星们在一段时间内的运动轨迹一以北极星为中心的长短不同的圆弧。左上图是在南极拍摄到的天体运动的类似情况。由于图片中南极星体运动的轨迹更长,可以断定拍摄持续的时间更长。
希望这两幅图可以让学生知道,星星的旋转运动在南北极都能观察到,都有一个旋转的中心。
从图片上看,北极星的位置有细微的变动,而这个变动在实际观察中,用肉眼是很难发现的。也就是说,地轴北端并非完全正指北极星。当然,这个内容并不需要学生去认识。
第二部分:对北极星“不动”的解释
让学生试着对图片进行分析。教科书中指出了观察分析的要点:两张图片有什么共同点?星座在做什么运动?学生之间对话的内容是这些问题的答案:星星运行的轨迹都有一个圆心,星座在旋转并形成以该圆心为中心的许多圆环,圆心不在天顶,距地平线有一定的高度。
要让学生针对本课的中心问题展开研究,北极星看上去“不动”的原因是什么。
引导学生对北极星“不动”进行解释。解释的过程,往往需要学生借助模型、生活实例和已知进行推理。这对学生来说,是一个相当大的挑战。
第三部分:如何解释北极星“不动”
教科书设计了一系列有层次的活动帮助学生形成解释。
第一个活动:让学生用纸画出星星和北极星,同时将北极星用图钉固定下来,旋转纸板,就可以看到星星围绕北极星旋转。同时,让学生用另一个纸板代表地平线,当这一纸板挡住旋转纸板的下部分时,学生就会观察到:一部分离北极星较近的星体在转动过程中不会沉到地平线下,而另一部分离北极星较远的星体在转动过程中会沉到地平线下,这就是人们常说的东升西落。这个活动可以直观地让学生观察到星体在旋转,而北极星的位置“不动”。地球自转是一个已被学生证实的事实,星体们都会因地球自转而旋转,这一活动还原了这一现象,但暂时还无法解释为何只有北极星“不动”。
第二个活动:让学生坐在转椅上,模拟在自转的地球上,如何看到北极星“不动”。
对话框说明了这一实验的要点:在转椅转动的过程中,眼光要直对北极星。这样可以看
到其他的星体围绕北极星旋转。在做实验时,画有北极星的纸板要贴在稍高一些的墙上,有利于学生保持头部不动。这个活动可以让学生明白:“北极星”处于视线旋转的中心,所以可保持不动。那么地球上会不会有这样一个“视线旋转中心”呢?
对于地球旋转中心,做完转椅实验之后,学生可能还不太明白,所以教科书又设计了第三个活动:用一个转动的陀螺来解释。陀螺是学生常玩的一种玩具,借助它,可让学生较直观地观察到旋转时的轴心。轴心由于转动线速度小,所以看起来轴心是“不动”的。学生还可观察到轴心与地面倾斜时,陀螺仍可以旋转。这可以帮助学生想象地球自转也有轴心,轴心相对不动,轴心也是可以倾斜着的。
最后,让学生试着用地球模型来解释北极星“不动”的秘密,从中可以看出学生是否真正学会了解释。较好的解释是:在球上贴几个小纸人,让球沿某一轴心逆时针自转,轴心倾斜着对着北极星。球上的小纸人会看到北极星不动,而其他的星星围绕北极星顺时针转动。
第四部分:北极星一年四季保持“不动”
北极星一年四季基本保持不动,其原因在于地球的自转轴北端在一年四季中都基本上指向北极星,并且保持倾斜方向不变。这是四季成因中相当重要的一个条件,在这里让学生提前有所认识。
从图中可以知道,同一时刻,星座在天空中的位置不同。如春分时,北斗七星在天空的偏东方向,到夏至时,它的位置已偏西。即北斗七星在天空中的位置随季节变化而逐渐西移。但北极星始终位于中心保持“不动”。
第五部分:北极星“不动”的秘密
教科书用一段文字最终对北极星“不动”的现象进行了解释。这时,教师可以让学生观察一下地球仪,明白地球仪倾斜的道理。
对于北极星的“不动”,教科书的资料库中有一些补充,可以让学生课后阅读。北极星“不动”只是在一个极小的时间范围内,由于地轴的倾斜方向在一个较长时间内是变化的,所以北极星的“皇位”也是交替的。
第六部分:小结地球自转的特点
进一步总结地球自转的特点。答案是:地球是围绕地轴自转的,地轴是倾斜的,地轴倾斜的方向保持不变。
(四)教学建议
1.引入。
教师告知学生,人们在夜间观星时,发现一个奇怪的现象:北极星“不动”,其他的星星都围绕北极星旋转。
出示两张图片,告诉学生,这是人们在较长时间内对着北极和南极天空拍摄的结果。
2.请学生分析两张照片:有什么相同之处?
如果学生不能较快地发现相同之处,可提示学生观察。
(1)星星们都在怎样运动?是否有一个转动的中心?
(2)星星自转的中心是否在天顶方向?是不是与地面保持一定的倾斜角度?
3.照片反映了星星在夜间运动的实际情况,为什么只有北极星保持“不动”呢?
学生分组讨论,并初步交流彼此的观点。
4.指导学生如何解释北极星“不动”。
(1)用一个纸板,画上一颗北极星,同时在它的周围远近不同的地方随意画上一些星星。转动纸板,让学生观察,是否北极星保持“不动”,其他的星体都围绕它旋转。再用一纸板代表地平线,挡住另一纸板下面的一部分,再旋转纸板,观察:哪一些星体可以被观察到,哪一部分星体观察不到了?从这个现象中,可以想到什么?
(2)我们已经知道地球在不停地自转,所以夜间人们在自转地球上,会观察到星星也在不停地旋转,并且旋转的方向与地球自转的方向相反。怎样才能在自转的地球上看到北极星“不动”呢?仍用一个转椅代表地球,我们坐在转椅上怎样才能看到北极星“不动”呢?请部分学生来试试。可提示学生尽量保持头部不动,让视线直对着“北极星”。
(3)出示陀螺。让陀螺在投影仪上转动,学生观察:陀螺自转时是否有一张似乎不动的轴心?轴心倾斜时,它能不能旋转?对此,你们可以想象地球是如何自转的吗?
(4)给每组一个球,让学生在球上贴上一张小纸片,代表地球上的人。然后做实验:如何让球自转起来,让上面的人看到北极星“不动”。然后全班交流。
(5)请学生再次解释:北极星为什么“不动”?
5.指导学生认识北极星在一年四季中保持“不动”。
出示图片,给学生讲解:北斗一七星一年四季仍都围着北极星转动,这说明了什么?
一天中,北极星不动的现象说明地轴是倾斜着指向北极星的,那么一年四季它“不动”,这一现象又说明了什么?
阅读书中关于北极星“不动”的解释。
6.出示地球仪,让学生观察:地球仪有何特点?地球仪中间保持不动的铁轴代表什
么?为什么地球仪要做成倾斜的样子呢?
7.小结:地球自转还有哪些特点?让学生填写在书中的表格中。
(五)评价建议
1.当学生用球来解释北极星“不动”时,是否让球的一端对着“北极星”旋转可以观察学生是否能真正解释北极星“不动”的秘密。
2.借助书中的表格,可以评价学生是否真正理解了地球自转的特点
第6课 地球在公转吗
(一)背景和目标
1718年,英国天文学家哈雷发现了恒星在天空中的位置是有变化的,称之为恒星自行。这在一定程度上动摇了“地心说”中天育旋转恒星不动的谬论。1748年英国天文学
家布拉得雷发现了光行差,即恒星的星象位置在一定极小范围摆动,也间接证明了地球
在公转。1838年,德国天文学家贝塞尔发现了恒星周年视差,冲破了“日心说”反对者
的最后一个阵地,是地球围绕太阳公转的确凿证据。
本课中,为了让学生理解,将恒星周年视差表述为观察者在公转轨道两端观测,因视觉角度不同而引起的星星的相对位置变化。即不是让学生去测角度差,而是直接观察角度差引起的位置变化。
本课通过模拟活动,让学生在一个圆圈(模拟公转的轨道)上观测远近不同“星星”的位置变化。教科书再进一步提供资料,让学生了解天文学家贝塞尔等观测恒星周年视差的工作,从而证明地球确实在公转。在这样一个学习过程中,学生将了解天文学家们是如何证实地球公转的,了解天文学家们在没有条件离开地球来直接观测地球运动情况下,是如何通过科学的方法,运用科学的思维和客观的观察来证实地球公转的。这也是
一个很好的科学价值观的教育素材。
科学概念
●恒星的周年视差证明地球确实在围绕太阳公转。其他的证据也可以证明这一点。
●在围绕某一物体公转时,在公转轨道的不同位置会观察到远近不同的物体存在视觉位置差异。
过程与方法
●在模拟实验中,观察并做出恰当描述。
●结合模拟实验进行推理。
情感态度价值观
●意识到对科学现象的解释需要得到证据的支持和从已知出发进行推理。
●认识到科学家在获得证据的过程中需付出艰辛的努力,同时也离不开科学技术的进步。
●在活动中培养小组合作精神。
(二)教学准备
给每组学生准备:记录纸。
给全班学生准备:两根木杆、一把直尺、一些小木条、一个红色圆纸片、两个蓝色圆纸片等。
(三)教科书说明
第一部分:如何证明地球的公转
这部分内容主要是了解学生对地球公转的初始想法。
对于地球的公转,教科书中已经给出了一个定义,并指出了地球的公转周期。
同时,教科书还提出了一个关键问题:在人们无法直接观察地球运动时是如何证明地球公转的呢?这一问题主要是激发学生的思考。
第二部分:周年视差的模拟实验
模拟实验前要做好实验前的准备工作,在操场上画好公转圆圈。有篮球场的可利用球场的已有圆圈。圆圈还可以多画一些,有利于学生分组实验。所立木竿,可利用体育器材中的跳高支架。在支架的同一高度上贴上两个蓝色圆纸片,代表两颗星。木尺上贴上小木条,有助于学生较好地观测到星星之间形成的视觉差。
在到操场上进行模拟实验之前,可先启发学生思考:在地球围绕太阳公转的轨道上,人们观察周围的恒星会有什么变化?这可以帮助学生去理解恒星的周年视差。
实验开始前,要让学生明白实验观察的要求:在操场上绕“太阳”公转一周,并且在A、B两点做观察记录,目的是在轨道公转圆圈上观察远近不同的星星在位置上有什么变化。实验时,人要背对中心圆点转动,这十分重要,因为这代表地球上的人处于黑夜之中所观察到的现象。
实验中要做好组织工作,分小组进行观察,各小组可以在不同的轨道上观察。
当学生从A点转到B点时,他们会观察到:两颗星都会相对观察者转动,并且与观察者的运动方向相反。这一现象,可帮助学生在后面的学习中理解,不同的季节,星座不同;星座东升西落,依次出现又消失。
观星记录表要求学生记录1号星相对于2号星的位置变化,并且要在距星远近不同的两个轨道上分别记录一次。记录下来的数据,会出现误差,这是正常的。但希望每一个学生都体验到:1.两次观察都会发现视差;2.前后两次观察,由于星星离我们的距离不同,近时视差大,远时视差小。
学生了解了在公转轨道上必然会发生恒星的周年视差这一事实后,就会明白,这一现象的存在就可证明地球在公转。根据事实进行科学推理,是我们期望学生掌握的一种科学方法。
第三部分:恒星的周年视差
教科书在这里提供了资料,让学生知道星座的东升西移和周年视差的存在都证明了地球在公转。
教师指导学生分析资料,可提出如下问题帮助学生分析:为什么人们长期不能发现恒星的周年视差?(宇宙太大地球公转轨道相对直径太小)为什么贝塞尔能够发现恒星的周年视差?(新制望远镜并持久地观察)他发现的视差有多大?(0.31角秒,视差相当于16千米以外的一枚硬币的宽度)
教科书还列举了现代人们观测的结果,这些都可作为地球公转的证据。
第四部分:总结昼夜现象的解释
让学生再次对有关昼夜现象的解释进行处理。通过这节课的学习,学生将最终知道:
地球的运动有两种方式,自转和公转。他们关于昼夜的所有解释中,将只保留地球在自
转同时又在公转的那一种解释。
将这个解释放大重新贴在墙上,将对认识四季的成因和极昼极夜的形成产生良好的促进作用。
(四)教学建议
1.引入。
向学生提问:我们已经知道地球在自转,那么它有没有公转呢?你们是怎么知道它在公转的?
2.学生讨论:在以前,人们无法直接观察地球运动,他们又是如何证明地球在公转的?
3.教师画一个地球的公转轨道,并在轨道外画出两颗远近不同的星星。问:如果地球在公转,那么在它的公转轨道上观察星星,会看到什么现象?
4.指导学生做恒星视差的模拟实验。
(1)讲实验的要求,提出观察的要点:在公转轨道的两个点上观察远近不同两颗星的视觉位置差。
(2)分小组,并分发实验记录表。
(3)带学生到操场做模拟实验,并指导学生做好观察记录。
(4)交换场地,让学生进行第二次观察记录。
5.回到教室,交流实验记录:
公转时,你们观察两颗星有什么变化?它们在怎样运动?
第一次,1号星的视差是多少?
第二次,1号星的视差是多少?
从中你们知道了什么?
6.如果地球公转,就必然在它的公转轨道上可以观察到恒星的视差,那么天文学家有没有观察到这种现象呢?请阅读书中的资料。
问:为什么人们长期未能发现恒星的周年视差?
贝塞尔为什么发现了恒星的周年视差?
他发现的视差有多大?
从中你们知道了什么?
7.小结:写出你们知道的地球公转的证据。
8.整理有关昼夜现象的解释。
通过这节课的学习,前面做出的有关昼夜现象的解释最终应保留哪一种?为什么?
(五)评价建议
1.从小组的观星记录表中,可以知道每个小组在模拟实验时是否观察到星星的视差变化。
2.对地球公转进行小结,让学生写出地球公转的证据有哪些?是否有恒星周年视差?是否有多个证据形成的证据链?
3.关注学生的昼夜解释,将最终的结果保留在墙上
第7课 为什么一年有四季
(一)背景和目标
昼夜交替和四季变化都是地球运动的结果,教科书在前几课的认知基础上引导学生探究四季的成因。
许多学生对四季的成因有着错误的认识,较普遍的一个观点是地球在围绕太阳公转过程中,离太阳近时是夏季,离太阳远时是冬季。本课则是让学生根据不同季节杆影变化的特点来推测地球所处的季节及四季的成因。在本课的探究中,学生将明白,四季的成因与太阳直射或斜射有关,即与太阳的高度有关,从而纠正了四季的形成与地球与太阳的距离远近有关的错误认识。
学生将从探究中发现,如果地轴不是倾斜的,地球仪上将无杆影长度的变化,无太阳高度的变化,从而明白四季的形成与地轴的倾斜有关。
科学概念
●四季的形成与地球的公转、地轴的倾斜有关。
过程与方法
●根据地球公转的特征做模拟实验。
●在模拟实验中,将地球仪上杆影的长度变化,并结合古人的观察结果,作为判断地球季节的依据。
●从导致杆影变化的原因,推想出四季的形成与地轴倾斜有关。
情感态度价值观
●意识到对科学现象的解释需要得到证据的支持和从已知出发进行推理。
●在活动中培养小组合作精神。
(二)教学准备
给全班准备:地球仪、强光源(投影机或幻灯机的光)、大头针、地球公转及四季成因的教学挂图或投影片。
给每个学生准备:模拟实验的记录纸。
(三)教科书说明
第一部分:模拟实验
教科书中介绍了古人研究四季的方法:立杆测影,并将其测量的结果公布出来。杆影的长度将作为学生研究四季的一个已知条件,用来判断季节的依据。
在实验操作中,可在教室的场地内画出一个公转轨道,并标出A、B、C、D四个点。中间的强光源可利用投影机或幻灯机的光。有条件的学校可同时摆放四个地球仪。地球仪上同一地点垂直插入四枚大头针,使大头针高度保持一致。在操作时,让大头针正对光源方向(表示正午时分)。地球仪倾斜的方向应保持一致。为使学生理解这一关键点,可在教室一侧的墙面上贴一颗“北极星”,让地球仪地轴北端都指向北极星。模拟实验的这些因素都要让学生知道,学生才能明白四季的成因与地轴的倾斜、地球的公转有关。
可用一个直尺让学生去测量不同地点上杆影的长度,并将测量的结果画在学生的观察记录表上。记录表上的结果应当是:A、C点长度基本一致、较长;B点长度最短;D点长度最长。当然,在实际模拟实验中,如果这四个公转地点与教科书图示中的标法不一致,或者地轴倾斜方向不同,各点的杆影长度就会不同。
在学生判断公转轨道上不同地点的地球的季节时,让学生要注意古人研究的杆影长度。
第二部分:四季的成因
教科书用这一问题引导学生思考四季的成因。
地轴不倾斜,地球仪上杆影的长度将不会有变化,即不会发生四季现象。这一结果,
可让学生做实验来证明,也可让学生进行简单的推理。通过这一事实,学生将明白,四
季的形成与地轴的倾斜有关。
四季的成因,事实上还与地轴倾斜角度和方向均保持一致有关,即地轴始终倾斜指向北极星,但这部分内容,教科书没有涉及。
教科书还设计了一个内容,让学生分析杆影的长度与太阳的照射、气温变化的关系。
由于地轴的倾斜方向保持一致,导致同一地区的太阳高度在一年四季发生有规律的变化,也就是教科书所说的阳光照射角度发生变化。因为阳光的直射或斜射就导致了不同地区不同季节的气温不同。这有助于学生从他们的经验出发来理解四季的成因。
让学生用同样的方法观察南半球阳光的照射情况,学生会很快地知道:南半球阳光照射情况与北半球相反,季节也相反。
第三部分:四季的解释
教科书的最后部分让学生解释一年中为什么有四季。学生的解释可能有多种,大致可以分为:1.阳光有规律地直射或斜射地球不同地区,杆影长度不同,所以有不同的季节(和实验层面一致);2.阳光的直射或斜射,导致不同地区的气温有规律地变化,所以有不同的季节(有简单的推理和概括);3.地轴的倾斜,导致阳光有规律性地直射或斜射某一地区,因此气温也有规律地变化,形成四季(认识到四季变化与地球运动特点的联系)。
本课希望学生对四季的解释基本上能达到第1、第2层次,如能达到第3层次,就说明学生真正理解了四季的成因。
(四)教学建议
1.引入。
四季交替,年年循环,你们认为四季是怎样形成的呢?
学生交流他们的看法。
2.古人是如何来研究四季的呢?教师出示古人研究四季的资料片段,并且提出其中的要点:都是在正午时分观测杆影长度,杆的高度一致,杆影长度规律性地变化。
3.指导学生做四季成因的模拟实验。
(1)根据地球运动的特点来做实验:地球在公转,地轴是倾斜的,倾斜的方向始终指向北极星。实验时,地球仪要与上述特点保持一致。
(2)要和古人研究四季的方法一致:立杆垂直地面(大头针垂直于地球仪),杆长一致(大头针的高度一致),立杆正对午时太阳(大头针正对光源)。
(3)观察当地球运行到不同位置——A、B、C、D点时,用直尺测量杆影的长度,并记录下来。
4.汇报测量的结果。
根据测量的结果你们能否判断出地球所处的季节?
5.分析四季的成因。
你们认为是什么原因导致地球仪上的杆影长度变化?
如果地轴不倾斜,会有这个变化吗?
6.分析杆影长度与气温的关系。
出示图片,让学生分析:杆影长度不同,说明阳光照射的角度是否有变化?
阳光的直射和斜射会影响气温吗?它们是怎样一个关系?
教师小结:杆影的长度变化说明太阳的照射角度不同,从我国所处的北半球位置来看,影长则阳光是斜射角度较小,气温较低,则处于冬季;影短则阳光斜射角度较大,气温较高,就处于夏季。
7.观察图片:南北半球的季节变化一致吗?你们是怎么知道的?
8.总结四季的成因,并填写在书中。
9.作业:查找四季成因的资料,看看资料上是怎么说的
第8课 极昼和极夜的解释
(一)背景和目标
地球是一个球体,如果地轴是垂直的,即地轴和公转的轨道平面相互垂直,那么阳光总是直射在赤道上,昼半球(被太阳照亮的一半)和夜半球(背着太阳的一面)面积会几乎相等,任何地点的昼夜时间会是差不多一样长。但地轴是倾斜的,而且倾斜角度和方向保持不变,所以在地球围绕太阳公转过程中,太阳直射点在北、南回归线范围内变化,形成四季交替现象。太阳直射点由赤道向北回归线移动、再从北回归线回到赤道的变化过程中(即北半球由春到夏再到秋),北极地区会处在阳光照射范围内(也可以称为昼弧范围内),故北极会出现极昼的情况。阳光直射点在北回归线时,极昼发生范围最大,北极圈以内的人们可以整天看到太阳。而这个过程中,极顶附近的极昼现象的持续时间约有半年。同时,由于地轴倾斜角度约23度,所以极昼发生的范围也不会越过北极圈。南半球情况与北半球正好相反。当太阳直射点由赤道向南回归线移动、再从南回归线回到赤道的变化过程中(即北半球由秋到冬再到春,而南半球是由春到夏再到秋),南极形成极昼现象,北极则是极夜。
本课主要是让学生在地球运动的已有知识基础上,运用前面所学的知识对极昼极夜现象进行解释。书中也提供了一些解释的方法,包括做模拟实验、直观模型演示、画示意图等,希望能给学生一些启示。这些解释都能让学生认识到:因公转中地轴是倾斜的,导致北极圈始终都处于阳光照射中,即便地球自转也不会产生昼夜交替现象,只会出现白昼现象。学生的表述也许不会这样严谨,但如果学生用文字、图示或模拟实验表示出极昼现象就可以了。
教科书还设计了一个活动,让学生探究地轴倾斜角度变得更大时极昼发生的范围。借此,不仅可以让学生明白极昼或极夜发生的主要原因,而且能让学生进一步认识地轴倾斜角度的意义,这对认识地球运动、四季、极昼极夜、地球上的生物等都至关重要。
最后,应让学生对本单元的学习进行一次总结。这个总结,是概念的升华过程,也是一个较为完整的思维过程。让学生重新梳理地球运动及其关联现象。这将是一个评价学生本单元学习情况的良好时机。
科学概念
●极昼和极夜现象与地球公转、自转和地轴倾斜有关。
●地轴倾斜角度的大小可以影响极昼极夜发生的地区范围。
过程与方法
●用模拟实验、直观演示、示意图等多种方式来解释极昼和极夜现象。
情感态度价值观
●意识到对科学现象的解释可以采用多种方式,但所有的解释都需要得到证据的支持。
●在活动中培养小组合作精神。
(二)教学准备
为每组学生准备:地球仪一个、手电筒一支、中间挖孔的硬纸片一张、记录纸等。
为全班准备:有关极昼现象和极夜现象的图片和资料。
(三)教科书说明
第一部分:极昼和极夜现象
极昼极夜现象是地轴倾斜导致阳光照射极地时间不同的结果。所以极地的人们可以在一段时间内看到太阳在天空不下落,或者一段时间都见不到太阳。
本课的重点是让学生运用地球运动的特点来解释极昼极夜现象。解释的方式可以有多种,但都要根据地球的运动特点来解释。
第二部分:极昼和极夜的解释
教科书提示学生:极昼极夜的解释和地球自转、公转有关,与地轴倾斜有关。
为提高学生的解释水平,教师有必要介绍一下本节课可能用到的材料:地球仪、手电筒、中间挖孔的两面色彩不一的纸板、纸张等。这些材料可在一定程度上启发学生进行解释。同时,教师应鼓励学生采用多种方式来进行解释。
教师应给学生一定时间,尝试运用各种材料在小组内解释极昼极夜,然后让小组决定采用何种材料,怎样解释。
第三部分:三种不同的解释方式
第一种方法:模拟实验。
如学生采用此种方法来解释极昼现象,教师可在交流时提问:
(1)地球仪和手电筒分别代表什么?
(2)怎样才能知道北极的确发生了极昼现象?能否让地球仪自转若干次,北极仍被电筒光照亮?
(3)北极发生极昼时,南极发生什么现象?又如何实验,让南极发生极昼?(观察学生是否让地球仪公转到手电的另一边,地轴仍保持倾斜方向不变)
第二种方法:直观模型演示。
如学生采用此方法进行解释,说明学生对模拟实验有所改进,即用纸板来表示地球仪上的晨昏线。这样可更直观地看到北极或南极处于晨昏线的哪一边。
教师可提出下列问题:
(1)涂有不同颜色的纸板代表什么?为什么要竖直在桌面上?(代表阳光照射时在地球上形成的明暗分界线,竖直在桌面表示阳光入射角度不变)
(2)地轴是否要倾斜?地球仪自转若干周后,北极是否仍是极昼现象?
(3)如何操作,让南极发生极昼现象?(地球仪倾斜不变,让纸板转动方向,表示地球围着太阳转动。当纸板竖直转动180度后,表示地球已公转到太阳的另一侧,这时就可看到南极处在极昼之中)
第三种方法:画示意图。
如果学生能采用这种方式来解释,说明学生已能将地球运动的特征进行综合运用了。
教师仍需提问:
(1)图中的地轴为什么是倾斜的?(因为地球公转时就是倾斜的)
(2)从图中可看到北极处于极昼之中。你能画出地球如何运动后,南极就处于极昼之中吗?(用箭头线表示地球仪运动到太阳的另一侧)
三种方法虽反映了学生头脑中对地球运动特征的认识抽象程度不同,但解释方法没有优劣之分,只要学生能在解释中较准确地表现出地球自转、公转和地轴倾斜就可以了。
第四部分:假如地轴倾斜角度更大
这是一个十分有趣的活动。学生已经发现极昼极夜发生的最大范围在极圈附近。如果地轴倾斜度更大的话,学生只需稍做实验或简单推理就可以知道:地轴倾斜角度更大,极昼极夜发生的范围将更大,这对地球的影响是十分巨大的。教师还可引导一下:极昼发生的范围变大了,可能会产生哪些后果呢?
(气温、气候、日照时间等都将有较大变化,会极大影响地球上的生物)
第五部分:总结地球的运动
学生在本单元学习完后,须填写方框中的内容。教师可以从中了解学生本单元的学习情况,还可以帮助他们梳理所学过的内容和采用的研究方法。正确的填写如下:
学生在填写有关地球运动形式的描述中,是否关注到地轴,是教师评价的重点。判断地球运动的依据中,学生是否写出傅科摆、恒星周年视差也是教师评价的重点。
(四)教学建议
1.引入。
(1)你们知道北极和南极吗,它们在地球上的哪个位置?极地有许多事情令人感到非常奇怪,其中之一就是极地的白天很长,足足有半年的时间太阳升起来就不会落下。你们听说过这样的事吗?感到奇怪吗?出示有关极昼现象和极夜现象的图片和资料。
(2)我们已经知道,昼夜交替是由于地球自转形成的,昼夜交替一次就是一天。那极地的白天为什么可长达半年,黑夜也如此,这是为什么呢?
2.学生交流自己的看法。
3.要解释极昼极夜现象,我们当然要从地球的运动特点出发来研究。回忆一下:地球的运动有哪两种方式?地轴是不是倾斜的?
要想让别的同学都能接受你的解释,最好采取一些较直观的方式,如实验、画图等。
我给每个小组准备了以下材料:地球仪,手电筒,一块较特殊的纸板,中间挖了一个和
地球仪一样大的孔,其中一面是黄色,另一面是黑色,还有一些记录纸。
在小组内用这些材料试着解释一下极昼极夜现象。
4.全班交流。
先演示或讲解极昼极夜现象是如何形成的。请说明以下问题:
(1)演示材料分别模拟什么?
(2)如何让同学们看到你的解释中,北极或南极确实发生了极昼或极夜现象?
在每个小组的主讲人员讲解完后,其他组员可补充。
教师或其他小组的同学可在解释完后提问质疑。
5.教师小结交流活动。
6.引导学生探究地轴倾斜角度的重要意义。
提问:如果地轴倾斜角度再大一些,会发生什么现象呢?这对地球的影响大吗?为什么?
7.总结。本单元的学习后,你们都知道了哪些事情?请完成教科书第90页的内容。
四、评价建议
(一)评价要求
1.学生在课堂教学过程中,是否乐意参与一系列的探究活动。
2.学生能否顺利完成各项活动,如做摆的实验、地球自转方向模拟实验、太阳公转模拟实验等。
3.学生能否在各种探究活动中仔细观察,并做好记录。如:在太阳公转模拟实验中,
是否记录下所观察远近不同的位置等。
4.学生能否在探究中合理推理,并大胆解释所观察到的现象。如:对昼夜现象,有多少种解释的可能等。
5.学生能否接受新的证据,并修正自己的原有观点。如:是否将傅科摆作为地球自转的证据,并修正昼夜现象的解释。
6.学生在科学概念的发展上是否有新进展。如:对地球运动的特点是否有一个较系统的认识。
(二)评价方法
1.日常表现观察法:平时留意学生的综合表现,记录一些典型事例,作为对学生的整体印象。
2.学生作品分析法:对学生作品(包括记录单、实验计划、昼夜现象解释示意图等)收集整理,并加以分析评价。
3.学生间的评价和自我评价:制定一些评价标准,对本单元的学习过程中期和后期进行评价。
4.单元前测和后测:针对本单元内容拟定一些调查内容,在本单元教学活动开始前和结束后进行调查,从中可以观察出学生学习本单元后的发展变化。
(三)本单元可以在以下几个方面给予特别关注
1.学生的一些课前准备是否积极,如收集证明地球自转的证据等。
2.学生在做模拟实验时,是否根据要模拟对象的特征来进行操作。
3.学生在单元学习中,证据意识是否提高,以及如何运用探究所得的证据。
4.学生思维的逻辑性、判断性是否提高
五、参考资料
地球自转运动
地球自转指地球绕地轴的旋转运动。地轴是地球自转的旋转轴。地球不停地绕地轴旋转。
地球自转方向与公转相同,为自西向东。从北极上空观察呈逆时针方向旋转,从南极上空观察呈顺时针方向旋转。由于地球的自转,地球上的观测者看到恒星及太阳随着天球在自东向西旋转。
地球自转一周的时间即自转周期,叫做一日。由于观测周期采用的参照点不同,有恒星日(23小时56分4秒)和太阳日(24小时)之分。地球自转一周360º,所需的时间是23时56分4秒。这叫做一个恒星日,即天空某一恒星连续两次经过上中天(天体每天经过观测者所在的子午圈平面两次,离天顶较近的一次叫上中天)的时间间隔,这是地球自转的真正周期。一天24小时,是太阳连续两次经过上中天的时间间隔,叫做一个太阳日。由于地球在自转的同时还在绕日公转,一个太阳日,地球要自转360º59',比恒星日多出59'。所以,时间上比恒星日多3分56秒。
地球自转运动是不均匀的,有季节变化、长期变化及不规则变化。如地球自转的长期变化使自转速度减慢,但这种变化不大,每100年日长增加1毫秒~2毫秒。地球自转的季节变化是每年3~4月速度最慢,8月最快,但季节性日长变化不超过0.5毫秒~0.6毫秒。地球自转的角速度,在南、北两极点等于零。除南、北两极点外,地球上任何地点的自转角速度都相等,约为每小时15º。地球自转的线速度,在南、北两极点等于零。除南、北两极点外,自转的线速度因纬度和海拔的不同而不同,自转线速度自赤道向两极逐渐减小,赤道海平面处约为1670千米/小时,南、北纬30º海平面处约为1447千米/小时,南、北纬60º海平面处约为837千米/小时。在赤道处高度相差100米,线速度相差26米/小时。
地球自转具有重要的地理意义。1.它决定了昼夜的更替,并使地表各种过程(如热量、气温、气压、蒸发、水汽凝结及有机界等)具有一昼夜的节奏。由于地球自转速度使地球上昼夜更替适中,地表增温和冷却不超过一定的限度,生物才得以生存。2.地球自转还会使地球上南、北半球物体水平运动的方向产生偏向。3.地球自转造成不同经线上具有不同的地方时刻。4.地球自转对地球的形状也产生影响,并与地壳运动、海水运动、大气运动等都有密切的关系。大陆漂移、地震、潮汐摩擦、洋流等现象,都在不同程度上受到地球自转的影响。
地球公转运动
地球公转指地球按照一定的轨道绕着太阳的运动。
地球公转轨道是一个十分近似圆的椭圆,太阳位于椭圆的两个焦点之一,公转轨道全长约9.4亿千米,椭圆最长直径叫长轴,最短直径叫短轴,地球公转轨道半长轴为1.49亿千米(即日地平均距离,称为天文单位距离)。椭圆长短轴之差称为焦点距,1/2焦点距与半长轴之比,称为偏心率,地球公转轨道偏心率约为0.017或1/60。
地球公转的方向与地球自转方向相同,都是自西向东,从北极高空看来,是逆时针方向。
地球公转周期为一年。“年”的时间因参照点不同而有差别。回归年为365日5时48分46秒,恒星年为365日6时9分9.5秒。地球在公转轨道上的位置,大致在1月3日左右最接近太阳,此时的位置称为近日点,日地距离约为1.47亿千米;大致在7月4日左右最远离太阳,此时的位置称为远日点,日地距离约为1.52亿千米。
地球公转的平均角速度,大致是每日向东推进1º。公转平均线速度为23.74千米/秒,在近日点时公转线速度较快,在远日点时较慢。
地球公转轨道面是在地球公转轨道上并通过地球中心的一个平面,地轴与轨道面斜交成66º34’交角。太阳位于地球公转轨道面所扩大的黄道面上,从地球上看来,太阳好像终年在这个平面上运动,这就是太阳的视运动。太阳视运动的路线叫做黄道,黄道所在的面就是黄道面。黄道面和地球轨道面相重合。黄道面与地球赤道面之间的交角,称为黄赤交角,目前约为23º26’。由于地球的公转运动与黄赤交角的存在,引起了地球上正午太阳高度、昼夜长短的周年变化,使地球上产生四季的更替与五带(热带、北温带、南温带、北寒带、南寒带)的划分,对地球上许多地理现象产生巨大的影响。
观星,感知地球的自转和公转
夜间,面向天空,你可以看到两个著名的星座——大熊座和仙后座。这两个星座都很容易辨认:大熊座由7颗亮星组成勺子的形状,叫北斗七星,也叫勺子星;仙后座的5颗亮星组成拼音字母W的样子。就是这两个星座,可以帮助我们找到北极星。
利用大熊座找北极星时,沿天璇(β星)、天枢(α星)的方向延长出去,在相当于这两颗星之间距离约5倍的地方,有一颗几乎同样亮的星——小熊座α星,这就是北极星,中国古代称之为勾陈一。在那部分天空,只有北极星这么一颗比较亮的星,所以很容易找到。我们还可以看到,仙后座δ星(阁道三)、北极星、天北极和大熊座的ζ星(开阳)几乎可以连成一条直线,仙后座γ星与北极星的连线及其与阁道三的连线几乎互相垂直,这也为我们寻找北极星创造了条件。
如果细心观测,你会发现更有趣的现象:大熊座、仙后座不停地以北极星为中心有规律地转动。其实这是地球自转和公转现象的反映。
找一个晴朗的晚上,按以上方法找到北极星,并记录大熊座(或仙后座)相对北极星的方向。此后可以每隔一小时观测一次,会发现这两个星座每隔一小时都转过15度的角度,这是为什么呢?原来这是地球自转的结果。北极星连同周围的恒星离我们很远很
远,它们的位置几乎是不变的。而地球每昼夜自西向东自转一周即360度,你也跟着地球每小时转过15度。所以你会看到北极星周围的星座每小时向相反的方向转过15度,24小时后它们又回到了第一次记录的位置。
如果做定时长期观测,你会发现每天大熊座(或仙后座)的位置都有所不同。假如你在20:00定时观测,第一次先找到北极星并记录大熊座(或仙后座)相对北极星的方向,以后每隔15天在20:00观测一次,就会发现这个星座每隔15天就转过15度角度,这又是为什么呢?这是地球公转的结果。地球每年绕太阳自西向东公转一周即360度,平均每天大约转过1度。我们就看到大熊座(或仙后座)绕北极星每天向相反的方向转过1度,一年后在20:00你再观测时这个星座又回到了第一次记录的位置。
哥白尼
哥白尼(1473~1543),波兰天文学家,“日心说”的创立人,曾在波兰和意大利的几所大学学习,研究数学、天文学、法学和医学。1506年回国任僧正,从事宗教活动,但仍以主要精力研究天文学。他在所供职的教堂城垣的箭楼上,建立了一个小天文台,并亲自制作观察仪器,长期从事天文观测和研究。终于创立了科学的宇宙结构体系——“日心说”。从此否定了统治西方达一千多年的“地心说”。“日心说”提出后经历了艰苦的斗争,才为人们所接受。这是天文学上一次伟大的革命,引起了人类宇宙观的重大革新,从根本上动摇了欧洲中世纪宗教神学的理论支柱。正如恩格斯在《自然辩证法》中指出的“从此自然科学便开始从神学中解放出来。”“科学的发展从此便大踏步地前进”。哥白尼在《天体运动论》中阐明了“日心说”,这部著作于1543年出版。由于受到时代的局限,在哥白尼的“日心说”中保留了所谓“完美的”圆形轨道等形而上学的论点。在开普勒总结出行星运动三定律,牛顿发现了万有引力定律以后,“日心说”才建立在更加稳固的科学基础上。
傅科
傅科,法国物理学家。1819年9月18日生于巴黎;1868年2月11日卒于巴黎。
傅科是一位出版商的儿子,起先学医,在他结识菲佐以后,就开始研究物理学,并以此作为他的毕生事业。傅科在光学研究领域有很大的成就,他与菲佐合作,用齿轮测量光速,然后根据阿拉戈十年前提出的建议,研究出一种新的测量光速的方法——旋镜。傅科测得的光速值比菲佐的值更加精确,仅稍低于迈克耳孙后来最终求得的值。傅科还进一步测量了光在水和其他透明介质中的速度。1853年,傅科证明光速在水中比在空气中小,他把这个研究成果作为博士论文发表。
但傅科的名字常常和始于1851年的一系列壮观的实验联系在一起。傅科知道,钟摆有保持自己振动面的趋向,摆的系着点会扭转。于是傅科认为,如使一大型摆摆动,它就会保持其振动面,同时,地球将在摆下扭转。摆如处于北极,地球就会在每24小时扭转一周。处地越往南边去的纬度,地球就似乎扭转得越慢;因为地球在北部区域里运行的速度比在南部区域里稍慢一些。越往南,则速度差越小,而在赤道则完全不转动。由赤道往南,扭转就会重新开始(但方向相反),到了南极则又具有24小时的周期。对观察摆的人来说(他本身也跟着地球运动),就显得好像是摆在缓慢地改变方向。傅科的第一次实验不够明显,需要一个更长的摆。先是阿拉戈将天文台大楼提供给傅科作第二次试验之用,尔后拿破仑三世把巴黎一个大教堂安排给他进行最有名的第三次实验。傅科用一根60多米长的钢丝绳将一个直径约2英尺重27千克的大铁球吊在教堂的圆顶下。摆的下端是一个尖头,正好从地板上掠过,可在撒于教堂地板的沙上画出记号来。他将铁球高高地拉向一侧,用绳子拴在墙上,当一切都平静后,就点火烧断拴摆的绳子(如用剪刀或刀子切断绳子,就会产生振动,干扰实验结果)。绳断了,摆开始了摆动,为数众多的观众们都静声屏息。随着时间的推移,摆尖划出的记号明显地改变着方向。它扭转的方向和速率正巧符合巴黎的纬度,即31小时47分扭转一周。旁观者实际上等于观察了地球在摆下的自转。这个实验引起了极大反响。早在22个世纪以前,赫拉克雷迪斯就首先提出地球在自转;三个世纪前,哥白尼重申了这一点。自从两个半世纪前的伽利略时代以来,学术界并未怀疑过这件事。不过,关于地球自转乃兄ぞ荻际羌浣拥模钡礁悼频氖笛槌晒Γ攀沟厍虻淖宰晌杉氖率担坏ナ锹呒耐贫稀?br />   时区与区时
确定一地时间的标准有两种:一种叫地方时,一种叫区时(标准时)。在日常生活中,人们习惯于用太阳在天空的位置来确定时间,以太阳位置最高(即正午)的时刻定为12点,这种时间叫地方时。如果各地都使用自己的地方时,在人们的生活工作中会带来一定的麻烦,特别是交通通信发达的今天,国际往来频繁,地方时更为不便,这样才有统一时间的必要。时区的划分,区时制度的建立便是适应这种要求而产生的。
1884年国际协议,全世界采用“区时系统”计量时间。地球每24小时自转一周(360º),一个小时转过经度15º。因此,国际上规定,每隔15º划为一个时区,全球可分为24个时区。以本初子午线为基准,从西经7.5º至东经7.5º,划为中时区,或叫零时区。在中时区以东,依次划分为东一区至东十二区。在中时区以西,依次划分为西一区至西十二区,东十二区和西十二区各跨经度7.5º,合为一个时区。每个时区的中央经线,叫做该时区的“标准经线”。标准经线上的时间便是整个时区的“区时”。例如,北京处在东八区,东经120º,是东八区的中央经线,因此,北京时间采用的是东经120º的地方时,即东八区的区时。
相邻两个时区的区时,相差整整一小时。在任意两个时区之间,相差几个时蔷拖嗖罴感∈薄@绫本┖湍箍葡嗖?个时区,时间就相差5小时。其中,较东的时区,区时较早。因此,出国旅行的人必须知道这个常识,向东每跨入一个时区,应把表往前拨一小时,向西每跨入一个时区,应把表倒拨一小时,这样才能保证你随身携带的表的时间,与当地时间一致。
国际日期变更线
由于在任何时刻,东十二区总比西十二区早24小时,即一天。因此,自东十二区向西进入西十二区,日期要减去一天。自西十二区向东进入东十二区,日期要增加一天。
例如,船只于5月1日8时由东十二区进入西十二区,日期要改成4月30日8时。相反,船只5月1日8时由西十二区进入东十二区,日期就要改成5月2日8时。在1884年召开的国际经度会议上,规定了原则上以180º经线作为地球上“今天”和“昨天”的分界线,叫做“国际日期变更线”,简称“日界线”。日界线并不完全在180º经线上,而是稍有曲折,主要是为了照顾180º经线附近的居民生活方便,而避开陆地。
地球仪
地球仪是用球体代表缩小的地球,以表示地面地理状况和地球自身特性的模型装置。球面上绘有各大洲、各海洋的分布以及某些重要地理要素、赤道、经线、纬线等。为了便于说明地球的自转、公转、四季形成和昼夜长短等自然现象,地球仪一般按23º26’的倾斜装置。
恒星周年视差的发现
恒星周年视差缘于一个简单的推理:与更远的恒星相比较时,比较近的恒星应该显示出视差。即人们以地球绕太阳的轨道直径(大约3×108千米)作基线,在轨道相对的两端以半年的间隔进行观测,可观测到恒星的视差。但由于以前人们没有望远镜,单凭肉眼无法测出恒星的视差,因为恒星和地球间的距离,同地球的轨道直径相比,实在太大了。
望远镜和其他仪器为恒星周年视差的观测提供了可能。在19世纪30年代,德国天文学家贝塞尔使用了一种叫做量日仪的新仪器,因为这种仪器最初是想用来精密地测量太阳的直径的。但用它同样能够测量天体间的其他距离,贝塞尔就用它来测量两个恒星之间的距离。贝塞尔月复一月地注意这些距离的变化,终于成功地测出了一个恒星的视差。他选择的是天鹅座的一颗小星,叫做天鹅座61星。他之所以选定这颗星,是因为这颗星相对于其他恒星背景每年都显示出特别大的自行,因此它一定比其他恒星离我们近。(不要把这种自行与恒星相对于背景的前后移动相混淆,后者表示的是视差)贝塞尔以附近“固定的”恒星(可能要远得多)为基准,测定天鹅座61星连续移动的位置,持续观测了一年多。最后在1838年,他报告说天鹅座61星的视差为0.31角秒,即相当于把一枚5分硬币放在16千米远处观看时的视角宽度。这个视差是以地球轨道的直径为基线观测到的,这表明天鹅座61星在大约100万亿千米远处,为我们太阳系宽度的9000倍。因此,即使和最近的恒星相比,太阳系也像是空间的一个小点。
因为用万亿千米计算距离相当不方便,天文学家便以光的速度来计算距离,以便缩小数字。光速是每秒299792.458千米。光一年走的距离约为94605亿千米,叫做1光年。利用这个单位,天鹅座61星距离地球约11光年。
在贝塞尔成功后仅两个月,英国天文学家亨德森就算出了半人马座α星的距离。这颗星是天空中第三颗最亮的星,位于南天低空处。结果表明,半人马座α星的视差为0.75角秒,是天鹅座61星的两倍多。因此,半人马座α星相应地距离地球近多了。实际上,它距离太阳系只有4.3光年,是我们太阳系最近的恒星邻居。其实它并不是一颗单独的星,而是由三颗恒星组成的。
1840年,在德国出生的俄国天文学家斯特鲁维宣布了天空中第四颗最亮的星织女星的视差。后来发现他的测量结果有点误差,但这是可以谅解的,因为织女星距离地球远达27光年,视差非常小。
到1900年,约有70颗恒星已经用视差法测定出来(到20世纪80年代,已有数千颗)。
而现在,人们使用精密的仪器,运用视差法测得较准确的宇宙空间距离约有120亿光年。
四季的划分
地球上的季节变化,从天文现象来看,是昼夜长短和太阳高度的季节变化,这种变化决定于太阳直射点在纬度上的周年变化。从天文含义看四季:夏季就是一年内白昼最长、太阳最高的季节;冬季,就是一年内白昼最短、太阳最低的季节。春、秋两季就是
冬、夏两季的过渡季节。我国传统上以立春(2月4日或5日)、立夏(5月5日或6日)、立秋(8月7日或8日)、立冬(11月7日或8日)为起点来划分四季。为了使季节与气候相结合,气候统计工作一般把3、4、5三个月划为春季;6、7、8三个月划为夏季;9、10、11三个月划为秋季;12、1、2三个月划为冬季。
南、北回归线
南、北回归线是指地球上南、北纬度23º26’两条纬线圈。由于地轴与地球公转轨道平面成66º34’的交角,地轴倾斜的方向在公转过程中保持不变,因此,在地球绕日公转过程中,太阳直射点一年中南北移动。夏至日时,太阳直射在北纬23º26’纬线上。过了夏至日,太阳直射点便向赤道移回。北纬23º26’是太阳直射点最北界限,因此称北回归线。冬至日,太阳直射南纬23º26’,冬至过后,太阳直射点又转向北移。南纬23º26’是太阳直射点最南界限,因此称南回归线。南北回归线又是“五带”中热带和温带的分界线。
南、北极圈
南、北极圈是指地球上南北纬66º34’两条纬线圈。在南半球的称南极圈,在北半球的称北极圈。南、北极圈是“五带”中温带和寒带的分界线。
昼夜长短的变化
事实上,昼夜长短变化这一现象的原因有些复杂,是因为:昼半球和夜半球的分界线(圈)叫晨昏线(圈)。晨昏线把所经过的纬线分割成昼弧和夜弧。由于黄赤交角的存在,除了在赤道上和春、秋分日处,各地的昼弧和夜弧都不等长。地球自转一周,如果所经历的昼弧长,夜弧短,则白天长,黑夜短;反之,则黑夜长,白昼短。
北半球自春分日至秋分日,是夏半年。那时,太阳直射北半球,北半球各纬度,昼弧大于夜弧,昼长大于夜长,纬度越高,昼越长,夜越短;北极四周,太阳整日不落,叫做极昼现象。其中夏至日这一天,北半球昼最长,夜最短,北极圈(北纬66º34’)以北,到处出现极昼现象。北半球自秋分日至次年春分日,是冬半年。那时,太阳直射南半球,北半球到处是昼短夜长。纬度越高,昼越短,夜越长;北极四周,有极夜现象。其中冬至日这一天,北半球昼最短,夜最长,北极圈以内,到处出现极夜现象。
南半球的情况与北半球相反。