正午太阳高度角的测定及应用

正午太阳高度角的测定及应用 指导教师 王艳梅 参与学生 七年级一班地理兴趣小组 研究课题 简要背景说明 长期以来 人们就一直在努力研究利用太阳能 我 们地球所接受到的太阳能 只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右 这些能量相当于全球所需总能量的 3 4 万倍 可谓取之不尽 用之不竭 在我 国 太阳能的利用也一直是最热门的话题 邵武市是否有利于发展太阳能 怎 么发展 研究课题 正午太阳高度角的测定及应用 研究目的 1 太阳能源广泛存在 又一种可持续利用的清洁能源 是人类寻求社会持续发 展的过程中 可充分利用不可忽视一种的资源 2 在实际生活中广泛推广应用太阳能 比如 太阳灶 太阳能热水器 塑料大 棚的角度 楼高与楼距的比例等都涉及到正午太阳高度知识 3 提高自身的社会实践能力 并学以致用 研究内容 正午太阳高度角的测定 楼距的合理性实地调查共采 2 个点 地点 1 白银市三中排球场 实地调查共采 2 个点 地点 2 白银市三中教师宿舍楼 一 研究过程 1 正午太阳高度角的测定 活动时间 2014 年 9 月 22 日 24 日 活动地点 白银市三中 活动工具 直竹竿 手表 直尺 三角板 绳 粉笔 纸 铅笔等 活动过程 正午太阳高度角的测量 地点 1 在秋分日前一天 在平坦开阔的空地垂直树立竹竿 并测量竹竿在地上部分 的长度 设为 b 以竹竿所插点 图中 O 点 为圆心 于上午 9 时在地面上画一个半径略短于 当时杆影长的半圆 当上午标杆的影端落在圆周 当上午标杆的影端落在圆周上时 标记为 A 点 下午标杆的影端又落在圆周上时 再标记为 B 点 将 A B 两点连成直线 取其 中点 C 将中点与圆心连成直线 OC 活动过程活动过程 秋分日及其前后 当竹竿的影子与直线 OC 重合的时刻 记 下此时刻的北京时间 设为 T 单位为小时 并测量此时竹竿影子 设为 a 利用下列公式进行计算 正午太阳高度 arctanb a 当地经度 120 T 12 15 当地纬度 90 arctanb a CABOab 活动原理 太阳高度达到一天 最大时候为当地正午 地方时为 12 时 日影最短 阳光将从正北或正南或从 头顶照射下来 此时对赤道以北地区来说 正午阳光从正南照来 直立竹竿只 要有影子 必是南北方向投影 其影子可视为一段经线 地球不停自转 各经度地方时不同 经度每差一度 时间相差 4 分钟 纪录 下日影出现最短的北京时间 可知此地正午地方时 12 时与北京时间的差值 从 而推算出与 120 E 经度差值 再根据地方时正午是早于还是迟于北京时间 12 时 出现 就可以在 120 E 基础上加或减去经度差值数 推算出具体经度 活动纪录活动纪录依据以上数据计算出邵武的纬度分别约为 27 46 度 27 52 度 27 42 度 经度分别约为 115 75 度 115 75 度与 116 度 太阳从正南照过 来的时间 即邵武的地方时 12 00 分别为北京时间 07 年 9 月 22 日 12 15 07 年 9 月 23 日 12 15 07 年 9 月 24 日 12 16 测量数据纪录如下 表 1 利用正午太阳高度算本地的经纬度 1 利用正午太阳高度算本地的纬度 公式 H 90 式中 H 为正午太阳高度 为当地纬度 取正值 为太阳直射点的纬度 4 天直射点大体移动 1 度 当地夏半年取正值 冬半年取负值 算得邵武的纬度为北纬 2 利用本地竿影最短时的时间与北京时间的差值 计算当地地理经度 本地地方时 120 E 地方时 两地方时时差 算得邵武的经度是东经 二 正午太阳高度角的应用二 正午太阳高度角的应用 2 通过观测楼房间正 午太阳高度角的照射情况 估算楼距的合理性 地理知识在现实生活中的应用越来越广泛 尤其随我国近年来房地产的迅速发 展 越来越多的居民乔迁新居 为了他们能够拥有一个良好的居住环境 在楼 房建造时 南北方向应保持合理的楼距 才能保证后面楼房底层全年见到阳光 要达到这个条件 需满足当地一年中太阳高度角最小时 后面楼房底层可见到 太阳光 则全年可见 如在邵武 117 E 27 N 要建一住宅小区 若商住楼为东西走向 楼高为 30 米 欲使北面新楼底面全年均能照射到太阳光线 则两幢相邻楼房间至少要相 距多少米 估算楼距合理性的方法 地点 2 教师宿舍楼 冬至日 邵武正午太阳高度最小 39 34 依此日正午太阳高度计算出的楼 间距 A 能保证全年见到阳光 公式为 A h cot39 34 冬至日 该地正午太阳高度最小 39 34 依此日正午太阳高度计算出的楼 间距 A 能保证全年见到阳光 公式为 A h cot39 34 那么邵武一中教师 宿舍七八号楼间距的设计是否合理 楼房为坐北朝南 测量楼间距测量楼高通过测量楼间距是 16 7m 楼高是 26 6m 楼距与楼高的余 切是 0 628 根据公式 A h cot39 34 那么可以得出结论此教师宿舍楼楼 间距的设计是不合理的 3 合理安装雨棚和热水器正午太阳高度角 在设计城 市居室日照状况中越来越广泛应用 若在邵武 约北纬 27 度 的某房屋正南窗 户上安装一雨棚 为了保证房内良好的光照条件 雨棚的最佳宽度为多少 这就 要利用正午太阳高度角来指导雨棚安装等 根据要求可知 当正午太阳高度为 最大时 雨棚仍不遮挡房内阳光 这时雨棚宽度为最佳宽度 即 太阳直射在 北回归线 27 N 与直射点的纬距为 27 一 23 26 3 34 所以 H 大 90 一 3 34 86 26 若雨棚离上窗框距离为 h 60CM 则雨棚最佳宽 度为 L hctg86 26 3 合理安装雨棚和热水器在邵武 117 E 27 N 安装一台太阳能热水器 为 了获得最多的太阳光热 提高利用效率 那么日照图与热水器安装方式搭配合 理的是 为了获得最好的光热效果 热水器的集热管必须与太阳光线直 这样 就必须符合 正午太阳高度角 集热管与地面 楼面 倾角 90 不同的季节 正 午太阳高度不同 则太阳能热水器的集热管与地面 楼面 倾角也不同 所以 在安装时最好设计成支架可以伸缩的装置 使可调角度在约 47 即冬至时 50 26 夏至时 3 34 46 52 在实际生活中除太阳能热水器外 塑料大棚 玻璃温室的采光面角度调整也相 同 二 正午太阳高度角的应用 4 农业生产中运用 在家禽养殖中 太阳光是促进雏鸡下常生长 发育 产蛋鸡产蛋 繁殖等不可 缺少的环境因素 太阳光有很好的杀菌作用 是鸡场环境净化的有效杀菌剂 邵武地处北半球 鸡舍方位朝南 冬季日光斜射 还可以利用太阳辐射和射入 鸡舍的光束的保温作用 夏季日光直射 太阳高度角大 直射入鸡舍的光线并 不多 如果比较科学利用正午太阳高度知识 充分利用太阳光作用 一定会促 进我市家禽养殖发展 二 正午太阳高度角的应用 4 农业生产中运用 在种植业中 间作 套作有利于充分利用土地和气候资源 提高复种指数 增 加农业总产量 并可争取农时 利用蔬菜多品种均衡供应 在农业生产中 人 们已经了解作物旺盛生长阶段对光合有效辐射能的利用率可达 5 而在幼苗期 还不到 0 1 作物的间作 套作可充分利用不同太阳高度的入射光 有效地利 用太阳辐射能 农户们可以在玉米行中间 套 南瓜或豇豆 在小麦或蚕豆行 中间作芥菜 或早熟南瓜 西瓜 等 在城市远郊或经济作物区利用幼龄果园 或桑园 的株 行间栽培植株较矮的