地方时6时太阳位于正东？——一次日影观测实验引发的反思

一、问题的提出

先来看一道常见的试题。

下图（图1）显示的是某楼盘的方位，某日该楼南面阳台太阳照射的时长为9小时40分（无其他物体遮挡）。该地该日昼长约为（ ）

A. 9小时40分 B. 10小时40分 C. 12小时40分 D. 13小时40分

图1某楼盘的方位示意图 图2 太阳光开始照射阳台的角度

我们来看答案和解析。

【答案】C

在笔者十余年的教学中，遇到的与上题类似的题目可谓无数，其解析大多也与上题的解析大同小异。很显然，此类题目都是建立在这样一个“理论基础”之上的：地方时6时，太阳位于天空中的正东方位，而且太阳在天空中的视运动速度为15度每小时。 【解析】本题主要考察昼长和地方时的计算。如右上图（图2）所示，上午太阳光升起到东偏南40°的方位时，该阳台才开始得到阳光的照射。根据地球1小时自转15°可知，太阳从正东移到东偏南40°，需要2小时40分，即该阳台是从8：40开始得到阳光照射的。该日太阳照射了9小时40分，所以日落时间为：8：40+9小时40分=18：20，由此推知昼长为：（18：20-12）*2，为12小时40分。故C项正确。

然而，地方时6时，太阳真的位于正东方位吗？太阳在天空中的视运动角速度真的是15度每小时吗？这个自从教以来从没有在笔者脑海里出现的问题，因为一次日影观测实验，第一次摆在了笔者面前。

二、日影观测实验及结果

2019年的上半年，南方的阴雨天气格外多。5月11日，南昌难得地迎来了一个大晴天。笔者趁此晴日，利用上午第三堂课带领学生们上了一堂地理室外实践课。其中一个最重要的活动，就是日影观测。实验中日影朝向的测量工具是苹果手机中的指南针。下图是实验现场照片(图3)和部分同学的实验记录（图4）。

图3日影观测实验现场

图4 学生的实验记录

三、日影观测实验结果引发的困惑

按照笔者已有认知——也就是本文开篇试题所建立的“理论基础”——地方时6时太阳位于正东，太阳在天空中的视运动速度为15度每小时，那么，北京时间9：50，太阳应该位于东偏南50°附近。但是在实验观测结果中，影子朝向是西偏北14°，也就是说，太阳是位于东偏南14°附近！为什么会有这么大的偏差？！

在日影观察实验活动现场，面对这样的观测结果，笔者心里当时就有了一点疑惑；只是因为没有学生提出任何疑问，笔者也就没有去深想。但当拿到学生交上来的实践报告后，面对大同小异却与已有认知相差甚远的实验记录，笔者开始坐立不安了。通过对实验过程的反复回顾、实验地南昌与北京时间的地方时差的精确计算等的分析，笔者依然没有找到合理的解释。

四、请教同事，实验求证

笔者首先想到的是求助于学校教研组。笔者所在的学校拥有20多位地理教师，其中不乏教学经验丰富的老教师。有的老师说，是因为手机指南针存在误差所致；有的老师说是地球磁场与地球南北两极存在较大偏离所致；还有的老师说，城市里人为磁场干扰太多，指南针没法正确指示方向。

面对诸多“可能原因”，笔者不敢懈怠，立马开始了手机指南针准确性的实验。

实验一：手机指南针与指南针的对比。笔者从学校实验室借来一个指南针，以此与苹果手机上的指南针进行对比，如下图5。很显然，两个指南针指示的方向几乎一致。

实验二：测量正午时的日影朝向，如下图6，由此证明指南针的准确性。笔者所在学校的经度是115°49′，与北京时间的时差大约是16分钟。也就是说，北京时间12：16，试验地为正午。从图中可以看出，在正午时，指南针正北指向与影子朝向完全一致。

这两个实验已经足以证明：手机指南针是可以比较正确地指示方向的。也就是说，笔者教研组老师们所提到的“可能原因”，都不是导致实验结果与已有认知出现大偏差的真正原因。

图5 手机指南针与指南针

图6 正午日影，指南针显示正北

五、求助专家，终于解惑

问题依然没有得到解决，笔者坐立难安，只好向校外专家求助。经专家点拨，终于找到了答案！

图7 天球示意图

如图7为天球示意图，平面ABCD为南昌某地（O地）的地平面，地轴OP指向北极星；北极星的仰角为南昌所在纬度（约为28°），由此确定地平面上的方向如图7所示。

图中，大圆AMBN垂直于南北方向的CD线，其上任一点（M、N两点除外）在地平面上的投影均位于正东或正西方向。

由于地球绕地轴的自转运动，产生了太阳绕OP轴的视运动，且同样为匀速圆周运动。图中，圆周A′M′B′N′即为O地某日的太阳视运动轨迹示意，其圆心为地轴上的点O″。从图中可以看出，M′处和N′处分别是该日太阳在天球上的最高位置和最低位置，对应的地方时分别为12时和24时（0时）。由于太阳视运动是匀速运动，所以，地方时6时的实质，是太阳位于圆弧N′M′中点时对应的时刻，即太阳位于图中A″处对应的时刻。显然，该日，太阳位于A″处时,也就是地方时为6点时，太阳在地平面上的方位，依然在东北方向。只有当太阳继续爬升至图中S点时，太阳才来到了正东方向。

六、借用手机软件，验证实验数据

心中的疑惑虽然得到了解决，但对于实验数据是否正确，笔者心里依然没有把握。为此，笔者想到了利用现代技术进行验证。

太阳测量师APP是一款天文类手机APP，利用该软件可了解任意时刻太阳的位置（方位、高度、日长）、任一天的日出日落时刻，并能动态可视化呈现太阳周日视运动规律。笔者利用太阳测量师APP中的3D指南针功能查看了2019年5月11日当天2个不同时刻的太阳方位及高度角（图8），与前面实验观测的数据进行了对比，具体如下表1：

图8 太阳测量师APP中实验时刻的太阳高度和方位

表一：实验观测数据与太阳测量师APP数据的对比

时间

实验观测数据

太阳测量师APP数据

北京时间

9：50

太阳高度角

56°

55.7°

太阳方位

东偏南14°

东偏南10.6°

北京时间

10：21

太阳高度角

63°

62.3°

太阳方位

东偏南21°

东偏南17°

通过对比可得出太阳测量师所提供的两个时刻太阳高度角与实际观察数据几乎一致；太阳方位角虽有一定的误差，但都在合理的范围内，由此证明了实验的科学性。同时，笔者利用太阳测量师APP了解到，5月11日，北京时间6：16（本地地方时6：00）时，太阳位于东偏北15.3°，即位于东北方；北京市时间8：36（当地地方时8：20）时，太阳才处于正东方位，具体见下图9。

图9 实验当天地方时6点时刻的太阳方位与正东方位时的地方时刻

七、带来的反思

笔者尽管做了大量的题，积累了大量的所谓“地理原理”，但却没有去思考原理本身，没有真正认识和理解地理原理的来龙去脉，对地理原理只是简单地接受、机械地运用，突出反映了笔者科研态度和精神的缺失，需要深刻反思。

笔者和笔者所在学校20多位不同年龄和教龄的老师，在面对实验数据与已有认知和经验发生冲突的时候，都没有在第一时间去反思已有认知和经验，反而是去怀疑实验客观数据，是思维僵化的表现，也是缺乏科学精神和批判精神的表现。而这，可能也反映了大多数一线老师的教研现状，值得重视。

参与日影观测实验的40位学生，对于实验数据，均没有提出任何问题。说明了学生在笔者传统教学模式下“发现和提出问题”的能力不足，批判和科学研究精神的缺失，也进一步让笔者确信，开展地理实践活动，是培养学生科学精神，提高学生地理素养的重要途径，是笔者日后要努力的方向。