关于高中太阳视运动图的解析

关于高中太阳视运动图的解析

太阳在天空中的运动是我们日常生活中最容易观察到的自然现象之一,探讨它的运动规律可以培养我们的空间想象能力和逻辑思维能力。下面我们用图对它进行系统的解读。
一、 地心天球
大家都有这样的感觉：我们站在地面上看天空，天空似乎是一个球面，日月星辰的东升西落表明，这个球面不但存在于地上，而且存在于地下，我们把这个球体叫天球。我们常用的天球是地心天球，即以地球的球心为球心，无限大为半径的假想球体。把地球座标系统无限扩大构成地心天球座标系统。如图1所示：天赤道就是地球赤道无限扩大同天球相割而成的天球大圆，天赤道把天球分成南北两半球。地轴无限扩大叫天轴，它与天球相交两点分别叫天北极（p）和天南极(p′)。黄道是地球绕日公转轨道平面无限扩大，同天球相割而成的大圆。地平圈是通过地心且垂直与当地铅锤线的平面无限扩大同天球相割而成的大圆，地平圈把天球分成可见半球和不可见半球。地平圈上方向的确定方法，在地心天球上，除了极点外，任意地平圈与天赤道相交且平分，有两个交点，这两个交点就是当地正东方（E）和正西方（W）的标志。地平圈上与天赤道相距最远的两点距天北极（P）近的就是北点（N），距天南极(P′) 近的就是南点（S）。在北半球，面北背南左西右东，在南半球，面南背北左东右西。天赤道平面就是南北极点的地平圈。天球的旋转是地球自转的反映，与地球自转方向相反，自东向西，围绕天极旋转。看星空，在北半球，星星围绕北天极（p）逆时针旋转，在南半球，星星围绕南天极(p′)顺时针旋转。
二、太阳视运动
太阳在天空中的运动其实是地球自转和公转的综合反映。可以这样理解，由于地球公转，太阳每年在天球上做南北回归运动，由于地球自转，每天运动的轨迹是太阳直射点纬度间的某个纬线圈。在地面上看太阳在天空中的位置，主要取决于三个因素：当地的纬度（φ）、当天太阳直射点的纬度（δ）、当时的地方时（t）。地球上同一地点不同季节看到的太阳周日视运动圈是互相平行的，也就是该地地平圈上太阳每年在天球上南北运动的回归圈间的纬线圈。
三、日出日落方向
图2为赤道上一年中的太阳视运动，它们的太阳视运动圈是一系列相互平行的平面，并且是与地平圈垂直的。因为赤道上地平圈上的南北两点正好与天南极(p′)和北天极（p）重合。在赤道上，每年春秋分太阳正东升正西落，从3月21到9月23 太阳东北升西北落；从9月23到次年3 月21太阳东南升西南落。
非极昼区，每年春秋分太阳也是正东升正西落，从3月21到9月23太阳东北升西北落；从9月23到次年3 月21太阳东南升西南落。图3、图4、图5、图6是各纬度的代表，同学们仔细看看，好好体会。

有极昼极夜区，每年春秋分太阳也是正东升正西落，未发生极昼极夜期间，在3月21到9月23 之内太阳东北升西北落；在9月23到次年3月21之内太阳东南升西南落。在极昼期间，太阳终日不落，但同一天太阳高度有变化，因而日出日落方向只有转折点，北半球为北方，南半球为南方。在极夜期间，太阳终日不见，位于地平圈以下。看图7、图8，以70°N为例，当太阳直射点在20°N至23°26′N移动期间，发生极昼，正北方为日出日落转折点（图7中A为6月22日的转折点）。当太阳直射点在20°S至23°26′S移动期间，发生极夜，太阳终日不见，位于地平圈以下。而70°S地区，当太阳直射点在20°S至23°26′S移动期间，发生极昼，正南方为日出日落转折点（图8中A为12月22日的转折点）。当太阳直射点在20°N至23°26′N移动期间，发生极夜，太阳终日不见，位于地平圈以下。因而高纬度地区，要了解日出日落方向，先要判断当天是否处在极昼极夜期间，然后再根据情况作出结论。
极地地区，情况又不一样。图9、图10分别是北极点和南极点一年中看到的太阳视运动。它们是一系列与地平圈平行的平面组成。
因为北极点的地平圈是天赤道，太阳直射点只有半年在北半球，所以在北极点只有从3月21日到9月23日的半年才可见太阳，由于北极点是北方的终点，因而地平圈的其他方向都是南方。

南极的地平圈也是天赤道，太阳直射点只有半年在南半球，所以在南极点只有从9月23日到次年3月21日的半年才可见太阳，由于南极点是南方的终点，因而地平圈的其他方向都是北方。
四、太阳方位和影子朝向
日出日落方向考察的是两个特定时间太阳在天空的方向，每天各个时间太阳方位的情况要复杂一些。它要考虑地方时，在太阳周日视运动图上，过天顶和南北方向的大圆为子午圈平面，它的地方时是0时和12时，过天顶和东西方向的大圆为卯酉圈平面，它只表示方位，不表示地方时。天空围绕天轴旋转，地方时是由经线圈平面决定的，地平圈上的E点和W点是它和天赤道的交点，它们和天极构成的平面与子午圈平面是垂直的，因而它们可表示的地方时是6时和18时。如图11、图12所示，注意经线是以天极为界的。天空的东西南北是以天顶为界的。明白了上述知识，我们就好来判断太阳方位了。物体影子朝向与太阳方位相反，但在极地是特例。北极太阳永远位于南方，物体影子也总是朝向南方;南极太阳永远位于北方，物体影子也总是朝向北方。
再举两个例子来说明:
1、图2赤道地区一年中太阳方位和影子朝向

日出
（6点）

日出后
（6点至12点间）

正午
（12点）

正午后
（12点至
18点间）

日落
（18点）

在南半球

正东

东南

正南

西南

正西

赤道

正东

正东

天顶

正西

正西

在北半球

正东

东北

正北

西北

正西

影子朝向与太阳方位相反，太阳直射时无影子。
2、图3、图4代表回归线间的地区，太阳方位比较复杂，以10°N来说，冬半年日出东南，日落西南，正午前物体影子朝向西北，正午太阳位于正南，物体影子朝向正北，正午后物体影子朝向东北；
春秋分太阳在正东方升起，物体影子朝向正西，过后运行在东南，物体影子朝向西北，正午太阳位于正南，物体影子朝向正北，过后太阳运行在西南，物体影子朝向东北，日落太阳位于正西，物体影子朝向正东；
当太阳直射北半球且在10°N前，日出东北，日出到过卯酉圈平面前，物体影子朝向西南，过卯酉圈平面太阳位于正东，物体影子朝向正西，过卯酉圈平面后到正午前太阳位于东南，物体影子朝向西北，正午太阳位于正南，物体影子朝向正北，正午后到过卯酉圈平面前太阳位于西南，物体影子朝向东北，过卯酉圈平面时太阳位于正西，物体影子朝向正东，过卯酉圈平面后至日落太阳位于西北，物体影子朝向东南；
当太阳直射10°N，日出东北，日出到12点前，物体影子朝向西南，12点太阳位于天顶，物体无影子，正午后到日落，太阳位于西北，物体影子朝向东南；
当太阳直射10°N以北，日出东北，日出到正午前，物体影子朝向西南，正午太阳位于正北，物体影子朝向正南，正午后到日落，太阳位于西北，物体影子朝向东南。
10°S看图类推。其余各纬度看图去得到答案。
五、太阳视运动图的画法
讲了这么多，现在我们来画太阳视运动图：因是立体图，先画一水平椭圆，代表地平圈，再画一水平线段平分椭圆，在线段的右端标N点，左端标S点，以SN线段的长为直径在上方画一半圆，为子午圈，找到SN线段的中点，标上O点，O点为地心，也可以理解为观测点，过O点在子午圈上作SN线的垂线交上半圆为一点，即为天顶Z，再过O点在水平椭圆上作SN线的垂线交椭圆于两点，外点标E，里点标W，过EWZ三点作子午圈垂面，这样地平圈上可见天球就分为四个区域。要知道哪个纬度的某天太阳视运动，就在子午圈平面上找到天南极(p′)或北天极（p），如果画的是南半球某纬度，在南点和天顶的经线上找，天南极(p′)距S点的高度就是南纬度；如果画的是北半球某纬度，在北点和天顶的经线上找，北天极（p）距N点的高度就是北纬度，过O点作Op′或OP的垂线交子午圈平面的点就是天赤道上的点定为Q′或Q，过该点与EW两点作平面就是天赤道，在该点附近的子午圈上找到当天太阳直射点R，北半球向北天极（p）的方向为北纬，南半球向天南极(p′)的方向为南纬，度数就是RO与Q′O或QO所成的夹角，过R点作天赤道平面的平行平面，交地心天球而成的图，就是太阳该天在地心天球上的视运动。再根据太阳视运动轨迹与地平圈的方向确定方法来描述它的运动规律。

太阳视运动图解析六合瓜埠中学 叶兵一、日出、日落时间（地方时）与方位的关系161418681012南北西落圈平地东升时
1．从理论上讲，在两分日，太阳直射在赤道，全球各地太阳正东升、正西落。（极点除外）2．北半球夏半年（太阳直射北半球），全球各地（极昼、极夜的地方除外）太阳东北升、西北落，而且纬度越高，太阳升落的方位越偏北。北南东西abc3．北半球冬半年（太阳直射南半球），全球各地（极昼、极夜的地方除外）太阳东南升、西南落，而且纬度越高，太阳升落的方位越偏南。 例：40°N二分二至日太阳视运动图a表示夏至日太阳视运动图b表示春秋分日太阳视运动图c表示冬至日太阳视运动图 4．赤道处的太阳视运动（仍满足第2和第3规律）β北南西东日出日落图3β南北东西日落日出图4（1）北半球夏半年（太阳直射北半球），赤道处东北方向日出，西北方向日落。如图3，此时昼夜等长。（图中β为正午太阳高度角） （2）北半球冬半年（太阳直射南半球），赤道处东南方向日出，西南方向日落。如图4，此时昼夜等长。 二、如何判断太阳视运动图中的东南西北方位？——根据上北下南，左西右东来判断三、在南北极点上，太阳高度在一天中是不变的如下左图 20°N23.5°20°
四、知道极昼时最大值和最小值太阳高度，如何求解太阳直射点纬度？ab地方时刻0：0012：00 太阳高度角图7 α图8如图7，极昼时太阳高度最小值为a（即地方时为0：00时的太阳高度）， 太阳高度最大值为b（即地方时为12：00时的太阳高度）。此时太阳直射的地理纬度为（a +b）/2。例：如图8此时太阳高度最小值为0，最大值为α，则此刻太阳直射纬度为α/2