活动探究太阳高度角的变化
第4章 多种多样的运动 · 第4节 地球板块的缓慢运动
活动探究太阳高度角的变化出自浙教版七年级上册《科学》第4章，是太阳视运动与影子规律的代表实验。杆影变化与四季成因是中考地理天文交叉常考点。学生最易在太阳高度角与影长的反比关系上记反。优创优星科学馆（义乌1+1教育旗下）按组装观察仪、绘制轨迹两步拆解，帮孩子把天文观测与读图练扎实。
实验情境
操场上旗杆的杆影一天中有明显的长短变化，一年四季中也有明显的长短变化，引起杆影一天中变化的原因是什么？引起杆影季节变化的原因又是什么？
实验目标
- 通过一天中太阳轨迹图的绘制，知道太阳高度角的日变化
- 通过不同日期太阳轨迹图的绘制，知道太阳高度角的年变化
- 体验模拟实验在科学研究中的作用
实验器材与材料
| 器材 | 用途 |
|---|---|
| 透明半球 | 模拟天穹，记录太阳视轨迹 |
| 杆子 | 模拟立杆测影 |
| 胶带 | 固定杆子于半球中心 |
| 手电筒 | 模拟太阳光源 |
| 记号笔、记录表 | 标注轨迹与记录影长 |
实验原理
太阳高度角是太阳光线与水平面的夹角：光源（太阳）越高，杆影越短
影子方向与太阳方位相反。
实验步骤与现象
1组装“太阳运行轨迹观察仪”1．取描有不同时刻杆影的记录纸，将铁钉由杆影记录纸的背面穿过中央立杆点O，并用胶带固定（如图4-9）。图4-9 固定记录纸 图4-1
- 1组装“太阳运行轨迹观察仪”
- 2取描有不同时刻杆影的记录纸，将铁钉由杆影记录纸的背面穿过中央立杆点O，并用胶带固定（如图4-9）。图4-9 固定记录纸
- 3将固定好中央立杆的杆影记录纸平放在桌面上，将透明半球盖在记录纸上，调整记录纸东西方位，与透明半球的东西方位吻合，并用胶带固定其位置（如
2绘制太阳运行轨迹1．一名同学将手电筒光源打开，并将手电筒紧贴透明半球上所标示的东南侧最低位置（如图4-11）。2．此时光源照射中央立杆出现杆影，调整手电筒位置，直到立杆尖端的影子与下方轨迹图中8：
- 1绘制太阳运行轨迹
- 2一名同学将手电筒光源打开，并将手电筒紧贴透明半球上所标示的东南侧最低位置（如
- 3此时光源照射中央立杆出现杆影，调整手电筒位置，直到立杆尖端的影子与下方轨迹图中8：00的杆影顶点重合，另一名同学在手电筒出光口旁用笔标记时间8：00（如图4-12）。图4-11 光源照射 图4-12 记录杆影时间
- 4依杆影记录图上的时间顺序，重复步骤2，并将时间记录在模型上（如
- 5依照时间顺序，将透明半球上的标示点连接起来，此轨迹线即为记录杆影当日的“太阳运行轨迹”（如
- 6更换不同节气的杆影记录纸，并分别将手电筒出光口紧贴透明半球上所标示的东侧与东北侧最低位置，重复步骤2～4，观察并记录太阳的方位（如图4-15）。图4-14 连接轨迹 图4-15 更换杆影记录图纸，连接轨迹
- 7若活动中的3张杆影记录图分别代表杭州市春分日、夏至日及冬至日的杆影记录，你如何判断哪一张是春分日、夏至日或冬至日？一年有春、夏、秋、冬四个季节，为何本活动中仅提供3张杆影记录图纸？
- 8通过绘制的“太阳运行轨迹”模型，判断太阳高度角在一天及一年中如何变化？
- 9前后两排南向房屋之间距离不可太近，为保证后排房屋底层在冬至日能获得不低于1小时的满窗日照而保持的最小间隔距离即为日照间距。为何选择以冬至日日照时长作为判断标准，而不是其他日期？
- 10不同纬度的日照间距不同，北方日照间距比南方大。请解释该现象。太阳高度角会随时间及纬度呈现规律性变化，故在古代有利用太阳高度角规律性变化设计测量时刻的“日晷”、判断节气的“圭表”、测量纬度的“象限仪”。日晷（如图4-16）是利用太阳投射的影子来测定时刻的装置。“日”指“太阳”，“晷”表示“影子”。其原理就是利用太阳的投影方向来测定并划分时刻，通常由晷针（表）和晷面（带刻度的表座）组成。图4-16 日晷圭表（如图4-17）通过观察正午影子的长短来确定季节变化及二十四节气。由“圭”和“表”两部分组成，圭表中直立于平地上测日影的标杆，叫作表；正南正北方向平放的测定表影长度的刻板，叫作圭。当太阳照着表的时候，圭上出现了表的影子，根据影子的长度，就能读出节气。象限仪（如图4-18）通过测量太阳或行星的子午线高度，来确定纬度。主要部件是一个90°的象限环，象限环竖边上指天顶，下指地心，横边与地平线平行，横竖两边相交于圆心，窥衡可绕圆心在弧面上转动。实际观测时，转动窥衡，当从中看到待测天体后，观看游表所指刻度，即为所观察天体的地平高度，进而知道该地的纬度。象限环竖边图4-17 圭表
高频翻车现场
【1+1教育避坑提醒】实验操作中最容易做废、最容易被扣分的关键点：
模拟太阳位置手电筒高度与方位随意变动两个量
后果：影长变化无法归因
正确做法：一次只改变高度或只改变方位，另一项保持不变
读太阳高度角把杆与影的夹角当太阳高度角
后果：概念混淆丢分
正确做法：太阳高度角是太阳光线与水平面的夹角，正午最大
记录影子方向影子方向与太阳方位关系记反
后果：日影规律判断错
正确做法：影子方向与太阳方位相反：太阳在南，正午影子朝北（北回归线以北地区）
实验结论
一天中正午太阳高度角最大、杆影最短；影子方向与太阳方位相反，正午杆影朝北（北半球中纬度）。
拓展研究
- 1一、组装“太阳运行轨迹观察仪”1．取描有不同时刻杆影的记录纸，将铁钉由杆影记录纸的背面穿过中央立杆点O，并用胶带固定（如图4-9）。图4-9 固定记录纸 图4-10 固定透明半球2．将固定好中央立杆的杆影记录纸平放在桌面上，将透明半球盖在记录纸上，调整记录纸东西方位，与透明半球的东西方位吻合，并用胶带固定其位置（如图4-10）。二、绘制太阳运行轨迹1．一名同学将手电筒光源打开，并将手电筒紧贴透明半球上所标示的东南侧最低位置（如图4-11）。2．此时光源照射中央立杆出现杆影，调整手电筒位置，直到立杆尖端的影子与下方轨迹图中8：00的杆影顶点重合，另一名同学在手电筒出光口旁
实验考点小结与出题概率
| 核心考点 | 对应教材位置 | 出题概率 | 常见考法·避坑提醒 |
|---|---|---|---|
| 太阳高度角的概念 | 七上第4章 | ⭐⭐⭐⭐ | 太阳光线与水平面的夹角，正午最大、晨昏最小为0° |
| 杆影变化规律 | 七上第4章 | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 太阳高度角越大杆影越短——一天中正午影最短，一年中夏至正午影最短 |
| 一天中太阳视运动 | 七上第4章 | ⭐⭐⭐⭐ | 东升西落，正午位于正南（北半球中纬度），轨迹是弧线 |
| 四季形成的原因 | 七上第4章 | ⭐⭐⭐⭐ | 太阳高度角与昼长的季节变化源于地轴倾斜与公转 |
| 影子方向与太阳方位 | 七上第4章 | ⭐⭐⭐⭐ | 方向相反——中考判断题高频 |
注：以上数据基于浙江省名校初中月考、期中、期末以及浙江省中考真题统计分析。
常见问题
什么是太阳高度角？
太阳光线与地平面之间的夹角。太阳升得越高，太阳高度角越大，正午达到一天中最大。
一天中杆影怎么变化？
清晨影子长且朝西，正午最短，傍晚变长且朝东；影子方向始终与太阳方位相反。
怎么用手电筒模拟太阳做实验？
手电筒代表太阳，沿半球星升西落的弧线移动，每停一处用记号笔在半球上标记并在底面记录杆影。
为什么正午影子指向与季节有关？
北半球中纬度正午太阳总在南方，影子朝北；但影子长短随季节的正午太阳高度角变化，夏至短、冬至长。
太阳运行轨迹观察仪的半球起什么作用？
半球相当于天穹模型，把太阳在天空中的视轨迹转化为半球面上的标记线，便于观察和记录。
义乌1+1教育 · 优创优星科学馆
本实验是浙教版初中科学教材的重要探究活动，也是中考科学探究题的高频考点。优创优星科学馆 · 义乌1+1教育旗下科学实验中心，坚持“教方法、抓过程”，让孩子亲手做一遍、当场学会规范表达，把实验真正转化为得分能力。想预约科学馆实操体验或获取完整实验方案，请点击页尾报名入口。
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