正午太陽高度的時空變化規(guī)律及其應用

正午太陽高度的時空變化規(guī)律及其應用李紅勛通信地址：河南省濮陽市綜合高中：457000正午太陽高度的時空變化規(guī)律是地理學習的重點和難點，該局部原理知識抽象復雜，綜合性強，對學生應用能力的要求較高。分析近幾年高考試題可以看出，對于該局部原理知識的考查，命題角度更加巧妙，出題形式也更加靈活多樣。但萬變不離其宗，深刻把握該局部原理知識，科學利用正午太陽高度的時空變化規(guī)律模型，是迅速解決該類問題的有效方法。下面分析探討如下：=1\*CHINESENUM3一.正午太陽高度的計算及其時空變化規(guī)律1.正午太陽高度的計算太陽光線相對當?shù)氐仄矫娴慕唤恰布刺栐诋數(shù)氐难鼋恰?，簡稱太陽高度。某地一天中的最大太陽高度，即當?shù)卣?2時的太陽高度，為該地的正午太陽高度，其計算公式為：H=90°－緯度距〔所求點和陽光直射點之間相隔的緯度數(shù)〕。換言之，在任一時刻，某地正午太陽高度與其距離陽光直射點的緯度數(shù)互余。緯度距的計算如圖1所示。提示：=1\*GB3①假設所求點與陽光直射點同在南半球或者同在北半球，兩點間的緯度距為兩點中較大的緯度減去較小的緯度。如圖1，此時陽光直射北緯23.5°，為北半球夏至日，A點與直射點間的緯度距為11.5°〔35°－23.5°〕，正午太陽高度那么為78.5°；B點與直射點間的緯度距為13.5°〔23.5°－10°〕，正午太陽高度那么為76.5°。注意：圖1中回歸線度數(shù)取為23.5°，下面圖3、圖4相同。=2\*GB3②假設所求點與陽光直射點分屬于南、北兩個不同半球，兩點間的緯度距為兩點緯度之和。如圖1，C點與直射點間的緯度距為53.5°〔30°＋23.5°〕，正午太陽高度那么為36.5°。③嚴格來講，隨著地球的公轉(zhuǎn)，陽光直射點的緯度每時每刻在發(fā)生著南北移動。通常情況下，直射點移動的日變化忽略不計，因此，在任何一天，正午太陽高度因緯度不同而不同，同一條緯線上的地點正午太陽高度相等。2.正午太陽高度的空間變化規(guī)律某一時刻太陽高度的空間變化規(guī)律由于太陽光為平行光，地球是個球體，所以，在某一時刻太陽僅直射地球上某一點，此點就是陽光直射點，位于晝半球正中心。隨著地球的繞軸自轉(zhuǎn)，在忽略直射點南北移動日變化的情況下，在一個太陽日內(nèi)，陽光直射點在同一條緯線上自東向西移動。直射點所在的經(jīng)線為正午經(jīng)線，當?shù)貢r間為12：00。直射點太陽高度為90°，在直射點上物體的影長為零。某一時刻太陽高度的分布狀況通常用等太陽高度線來反映。某一時刻太陽高度的分布規(guī)律為：直射點四周與直射點等距離地點的太陽高度相等，并且等太陽高度線由直射點分別向四周呈圓形遞減，至晨昏圈時太陽高度為0°。如圖2〔夏至日某時刻全球太陽高度等值線圖〕所示。圖中：N—北極點；弧線ACB—晨線；弧線ADB—昏線；O—陽光直射點；NB—正午經(jīng)線；NA—0時經(jīng)線。正午太陽高度隨緯度變化的規(guī)律同一時刻，正午太陽高度由太陽直射點所在緯度向南北兩側(cè)遞減，且以直射點所在緯度為中心等距離對稱。春、秋分日和冬至、夏至的正午太陽高度隨緯度變化的規(guī)律如圖3所示。提示：=1\*GB3①.3月21日和9月23日前后——從赤道向南北兩側(cè)遞減。南、北極點正午太陽高度均為0°。=2\*GB3②.6月22日前后——從北回歸線向南北兩側(cè)遞減。北極點正午太陽高度為23.5°，南極圈以南出現(xiàn)極夜〔正午太陽高度小于0°，為負值〕。=3\*GB3③.12月22日前后——從南回歸線向南北兩側(cè)遞減。南極點正午太陽高度為23.5°，北極圈以北出現(xiàn)極夜〔正午太陽高度小于0°，為負值〕。3.正午太陽高度隨季節(jié)變化的規(guī)律由于太陽直射點每天都在移動，所以地球上任何一點，正午太陽高度天天都在變化，南北回歸線之間的地區(qū)一年中有兩次到達最大值〔90°〕，北回歸線以北和南回歸線以南地區(qū)的正午太陽高度，總是由極大值變到極小值，再由極小值變到極大值，周而復始。在解答某地正午太陽高度的周年變化問題時，可速繪圖4模式圖來分析思考。提示：=1\*GB3①.在直射點南北移動的過程中，對于全球任何一個地點而言，直射點移向該地點，那么該點的正午太陽高度逐日變大；反之，那么逐日變小。直射點與該地點間的緯度距越近，該地點的正午太陽高度越大。=2\*GB3②.北回歸線及其以北地區(qū)的正午太陽高度的變化〔如圖中c點箭頭所示〕：6月22日為年內(nèi)最大值，之后直射點南移，正午太陽高度漸小，12月22日到達年內(nèi)最小值；隨后直射點北移，正午太陽高度漸大，次年6月22日又到達年內(nèi)最大值。北回歸線上一年中有一次直射，即6月22日的正午太陽高度為90°。=3\*GB3③.南回歸線及其以南地區(qū)的正午太陽高度的變化〔如圖中a點箭頭所示〕：12月22日為年內(nèi)最大值，之后直射點北移，正午太陽高度漸小，6月22日到達年內(nèi)最小值；隨后直射點南移，正午太陽高度漸大，至次年12月22日又到達年內(nèi)最大。南回歸線上一年有一次直射，即12月22日的正午太陽高度為90°。=4\*GB3④.南北回歸線之間的地區(qū)，一年直射兩次，直射日正午太陽高度為年內(nèi)最大，之后逐漸變小。赤道上，春、秋二分日時正午太陽高度為年內(nèi)最大，為90°；二至日時正午太陽高度為年內(nèi)最小，為66.5°。6月22日，赤道至南回歸線之間地區(qū)的正午太陽高度達年內(nèi)最小值。12月22日，赤道至北回歸線之間地區(qū)的正午太陽高度達年內(nèi)最小值，如圖中b點箭頭所示。=2\*CHINESENUM3二.正午太陽高度時空變化規(guī)律的應用應用1：確定所求地點的經(jīng)度和緯度。根據(jù)正午太陽高度計算公式，結(jié)合題干、圖示等信息，推求所在地的緯度，進而判斷該地的其他地理特征。當某地太陽高度達一天中的最大值時，該地的地方時為正午12時，據(jù)此可推算所在地的經(jīng)度或地方時?！纠?】〔08廣東文基42～43〕以下三幅圖中的角度是位于120°E經(jīng)線上不同緯度三地夏至日的正午太陽高度角。據(jù)此答復以下兩題。SN75SN75°=3\*GB3③NS60°=2\*GB3②N45°S=1\*GB3①=1\*GB2⑴.三地的緯度從高到低的排序是〔〕A.=1\*GB3①=2\*GB3②=3\*GB3③B.=1\*GB3①=3\*GB3③=2\*GB3②C.=3\*GB3③=2\*GB3②=1\*GB3①D.=3\*GB3③=1\*GB3①=2\*GB3②=2\*GB2⑵.此日晝長時間從短到長的排序是〔〕A.=1\*GB3①=2\*GB3②=3\*GB3③B.=2\*GB3②=1\*GB3①=3\*GB3③C.=3\*GB3③=2\*GB3②=1\*GB3①D.=3\*GB3③=1\*GB3①=2\*GB3②解析據(jù)圖可知，夏至日正午太陽均位于三地天頂以南的天空中，說明三地位于北回歸線以北。結(jié)合正午太陽高度的緯度變化規(guī)律，夏至日正午太陽高度由北回歸線向南北遞減，所以三地緯度由高到低為=1\*GB3①=2\*GB3②=3\*GB3③。結(jié)合晝夜長短的緯度變化規(guī)律可知，夏至日時北半球各地晝長到達年內(nèi)最長，且緯度越高晝越長，故三地此日晝長從短到長的排序是=3\*GB3③=2\*GB3②=1\*GB3①。答案⑴.A⑵.C【例2】〔07江蘇高考卷1～2〕某地是我國重要的人工多層經(jīng)濟林區(qū)。以下圖為該地“某日太陽處在最高位置時的示意圖”，此時北京時間為12：40，樹影遮擋地被植物的面積在一年中到達正午時的最大。讀圖5答復下面2題。=1\*GB2⑴.該地位于〔〕A.45°N，110°EB.21°34′N，110°EC.45°N，130°ED.21°34′N，130°E=2\*GB2⑵.這一天〔〕A.太陽距離地球最遠B.江蘇省各地晝長夜短C.晨昏線與極圈相切D.正午太陽高度由赤道向南北兩側(cè)遞減解析第１題，該地太陽在最高位置時為地方時１２：００，而此時北京時間為１２：４０，那么該地在１２０°Ｅ以西，經(jīng)度差１０°，應為１１０°Ｅ經(jīng)線上某點。由樹影在一年中到達正午時的最大，可知此日應為冬至〔12月22日前后〕，此時陽光直射南回歸線，由樹高與影長相等，那么有45°＝90°－〔X＋23°26′〕〔X為當?shù)鼐暥取?，得X＝21°34′N〔該地在我國〕。故第1題B項正確。第2題，“這一天”指12月22日答案⑴.B⑵.C應用2：確定所求地點正午日影長短、朝向或者房屋朝向。=1\*GB2⑴．判斷正午日影長短和朝向。距離陽光直射緯線越近，正午太陽高度越高，日影越短；反之，距離陽光直射緯線越遠，太陽高度越低，日影越長。日影方向總是背向太陽。太陽直射時，垂直投影為點。極夜時，沒有日影。各緯度地帶的正午影長、朝向情況，具體如下：=1\*GB3①.北回歸線以北地區(qū)，一年四季太陽都是從南面照射過來，正午日影永遠朝向北方〔北極點除外〕。北半球夏至日〔6月22日前后〕，北回歸線及其以北地區(qū)正午太陽高度達一年中的最大值，正午日影最短。北半球冬至日〔12月22日前后〕，太陽直射在南回歸線上，北半球正午太陽高度最小，日影最長。=2\*GB3②.南回歸線以南地區(qū)，一年四季太陽都是從北面照射過來，正午日影永遠朝向南方〔南極點除外〕。北半球冬至日，南回歸線及其以南地區(qū)正午太陽高度達一年中的最大值，正午日影最短。北半球夏至日，南半球正午太陽高度最小，日影最長。=3\*GB3③.在南北回歸線之間的地區(qū)，一年中有的季節(jié)太陽從南面照射過來，日影朝向北；有的季節(jié)太陽從北面照射過來，日影朝向南。一年有兩次太陽直射〔回歸線上只有一次〕，直射時日影最短〔日影與物體本身重合〕。④.北極點，太陽雖然永遠從南面照射過來，但日影也是永遠朝向南方；南極點，太陽那么永遠從北面照射過來，日影也是永遠朝向北方。=2\*GB2⑵．確定房屋朝向。在北回歸線以北地區(qū)，正午太陽始終位于南方，房屋門窗朝南；在南回歸線以南地區(qū)，正午太陽始終位于北方，房屋門窗朝北?！纠?】〔07寧夏高考卷5～6〕我國某校地理興趣小組的同學，把世界上四地年內(nèi)正午太陽高度變化及方向繪成簡圖〔如圖６〕。答復下面2題。=1\*GB2⑴.可能反映該學校所在地正午太陽高度年變化及方向的是〔〕A.=1\*GB3①B.=2\*GB3②C.=3\*GB3③D.=4\*GB3④=2\*GB2⑵.當?shù)卣缣柛叨鹊竭_最大值時〔〕A.地球公轉(zhuǎn)的速度較慢B.其它三地正午太陽所在方向不同C.該學校所在地天氣炎熱D.太陽在地球上的直射點將北返解析此題組考查正午太陽高度的變化和應用，以及學生的讀圖能力。第1題，=1\*GB3①處正午太陽高度有90°，說明該地區(qū)有太陽直射現(xiàn)象，而且太陽方向既有向南，又有向北，且南北對稱，由此可判斷=1\*GB3①在赤道上。=2\*GB3②處最大太陽高度為90°，正午太陽方位一直在北方，那么可判斷=2\*GB3②處在南回歸線上。=3\*GB3③處和=2\*GB3②處正好相反，應在北回歸線上。=4\*GB3④處有正午太陽高度為0°的現(xiàn)象，且正午太陽一直在南方，那么=4\*GB3④處在北極圈上。再結(jié)合題干中“我國某?！?，可知C項正確。第2題，當=2\*GB3②處正午太陽高度最大時，應為冬至日〔12月22日前后〕。此時太陽直射南回歸線，地球公轉(zhuǎn)在近日點附近，速度較快；=1\*GB3①=3\*GB3③=4\*GB3④三地正午太陽都在正南方；學校所在的亞熱帶地區(qū)，正值低溫少雨時期；而太陽直射點正從南回歸線向北移動。應選項D正確。答案=1\*GB2⑴.C=2\*GB2⑵.D應用3：計算樓距、樓高或熱水器安裝角度。=1\*GB2⑴．計算樓間距、樓高。為了更好地保持各樓層都有良好的采光，樓與樓之間應當保持適當距離。以我國為例，如圖７，南樓高度為h，該地冬至日正午太陽高度為H，假設要使北樓所有朝南的房屋在正午時全年都能被太陽照射，那么最小樓間距為L＝h×cotH。同樣，在樓間距一定的情況下，要保證北樓正午時全年能被陽光照到，那么南樓的最大高度為h＝L×tanH。α正午光線Hα正午光線H圖８【例4】太陽能熱水器的集熱面與太陽光線垂直效果最正確。在40°N安裝太陽能熱水器，如要保持正午時太陽能熱水器的集熱面總與太陽光線垂直，那么，熱水器的集熱面與地面的夾角在一年中應調(diào)整的最大幅度是〔〕A.17°34′B.23°26′C.46°52′D.63°26′解析由圖８可知，所求地的正午太陽高度和太陽能熱水器的傾角互余，因此，40°N的熱水器的傾角在夏至日〔6月22日前后〕最小，為17°34′〔40°－23°26′〕；而冬至日〔12月22日前后〕最大，為63°26′〔40°＋23°26′〕，故該地熱水器的集熱面與地面的夾角在一年中應調(diào)整的最大幅度為46°52′〔63°26′－17°34′〕，故C項正確。根據(jù)此題外延可以得出這樣的結(jié)論：對于安裝在南北回歸線及其以外〔緯度大于或等于23°26′〕任一地點的熱水器而言，熱水器傾角在一年中應調(diào)整的最大幅度為定值46°52答案Ｃ綜上可知，正午太陽高度的計算及時空變化規(guī)律是解決其應用問題的理論根底，學生不僅要深刻把握該局部理論知識，更應具有將理論知識轉(zhuǎn)化成地理模型〔如上述各類模式圖〕能力。依據(jù)速繪而成的原理模式圖來分析解答具體的應用問題，定會取得事半功倍的效果。穩(wěn)固訓練讀某地正午太陽高度年變化折線圖，答復1～3題。1.該地所處的緯度范圍大致為〔〕A.0°～23°26'NB.0°～23°26'SC.＞23°26'ND.＞23°26'S 2.圖中B處所表示的這一天，該地達到一年中極值的是()A.白晝長度B.大氣溫度C.正午影長D.降水量3.圖中P點表示的這一天 〔〕 A.太陽直射南回歸線 B.北半球緯度越高晝越長C.太陽直射赤道 D.地球公轉(zhuǎn)速度最慢據(jù)此完成13～16題為使熱水器有最好的效果，需經(jīng)常調(diào)節(jié)支架，使正午太陽光線直射集熱板。在一年中，集熱板與地面夾角的變動幅度大約是A．23°26′B．46°52′C．66°34′D．90°14．16．以下地區(qū)中使用太陽能熱水器效果最好的應該是 A．吐魯番 B．拉薩 C．海口 D．重慶北京〔40°N〕某?！獙W生在研究性學習活動中，對太陽能熱水器進行了重新設計，將太陽能熱水器支架改造成可以升降的活動方式〔如以下圖所示〕。據(jù)此完成4～6題。4.將支架改造成可以升降的活動方式，主要依據(jù)的地理原理是〔〕A.正午太陽高度角的緯度變化規(guī)律B.正午太陽高度角的季節(jié)變化規(guī)律C.晝夜長短的日變化規(guī)律D.晝夜長短的季節(jié)變化規(guī)律5.當集熱板與地面夾角最大時〔〕 A．我國江淮地區(qū)正值梅雨季節(jié) B．松花江正是第一次汛期 C．南太平洋漂浮的冰山較多D．巴西高原的動物向北遷徒6.以下地區(qū)中，使用太陽能熱水器的效果最好的應該是〔〕A.海南島B.四川盆地C.青藏高原D.東北平原讀a、b兩城市6月22日和12月22日正午旗桿(兩地旗桿等高)影長及朝向示意圖〔右圖〕，答復6～8題。7.關(guān)于兩城市現(xiàn)象的表達，正確的選項是〔〕A.a城有極晝極夜現(xiàn)象，b城沒有B.b城有太陽直射現(xiàn)象，a城沒有C.a城晝長變化幅度小于b城D.b城正午太陽高度變化幅度小于a城8.a、b兩城市位于同一大陸，該大陸可能是〔〕A.北美大陸B(tài).非洲大陸C.澳大利亞大陸D.亞歐大陸9.當a城正午影長最短時〔〕A.b城正午影長最長B.北京的晝長小于南京C.羅馬氣候溫和多雨D.墨累盆地正在收割小麥12月22日，90°E上的四地正午太陽高度〔H〕如以下圖所示，讀圖答復9～10題。10.此時〔〕①就北半球而言，其緯度數(shù)C＞B＞A②B地的緯度必在極晝或極夜范圍內(nèi)③C的緯度是6°34′N或53°26′S④就南半球而言，其緯度數(shù)B＞C＞DA．①②B．①③C．②③D．③④11.A、B、C、D四地的位置〔〕①A地可能在巴西境內(nèi)②B地可能在南極大陸③C處可能位于北印度洋海域④D處附近海域的洋流是西風漂流A．①②B．①③C．②③D．②④答案：1.B2.C3.A4.B5.C6.C7.D8.B9.A10.D11.C郵箱：以下各圖是未經(jīng)選擇性粘