極晝區太陽高度計算的教學思考

在高中自然地理教學過程中，我們經常會遇到有關太陽高度角的計算問題。太陽高度角指的是太陽光線和地平面的夾角。其中正午太陽高度角是一天中的最大太陽高度角，全球正午太陽高度角的分布規律是由太陽直射點所在的緯線向兩側呈遞減趨勢。太陽高度角是由太陽直射點所在經線向兩側呈遞減趨勢，白天大于零，晨昏線上等于零，晚上小于零。正午太陽高度角的計算在高中地理學中是個重點，也是個難點。在進行計算中，我們需要兩個已知條件：所求地區當地緯度和直射點所在緯度。對于任意時刻太陽高度的計算在高中地理教學中不做要求，但是極晝地區，存在最大太陽高度角和最小太陽高度角的計算。

地球在運動過程中，太陽直射北半球，北極地區出現極晝，極晝區太陽整日不落，12時太陽高度最大，即正午太陽高度最大，0時或24時太陽高度最小，即為子夜太陽高度。在學習過程中，學生經常會遇到極晝區內太陽高度的相關計算，對于該區正午太陽高度的計算，教學中，我們可以利用以下公式：

公式一：正午太陽高度 H=90°-|Φ±φ|。

即正午太陽高度=90°-|當地地理緯度±直射點緯度|。

其中“±”的用法遵循“同減異加”原則，即當地緯度與直射點緯度為同半球緯度則“-”，若當地緯度與直射點緯度為不同半球緯度則“+”。“H”代表正午太陽高度；“h”代表子夜太陽高度；“Φ”表示當地地理緯度；φ表示直射點所在緯度。

公式二：H+h=2φ，即正午太陽高度+子夜太陽高度=直射點所在緯度的2倍。

上述公式一、公式二應用于極晝區的極晝圈上，子夜時極晝圈與晨昏圈相切，故子夜太陽高度為零，所以公式應為H=2φ（正午太陽高度等于2倍的直射點緯度）。

例1如圖，某地點A某日所觀察到的太陽運行軌跡，其中箭頭表示太陽運行方向，E、W、S、N分別表示東、西、南、北四個方向。當太陽位于圖中B點時，北京時間為16點。據此回答問題：

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觀察地點的地理坐標可能是（）

A.60° N，120° W B. 60° N，60° E

C.70° N，120° W D. 70° N，60° E

解析 從圖中太陽的運動可以看出，該地該日剛好發生了極晝現象，即該地正好位于極晝圈上。極晝圈上正午太陽高度等于直射點緯度的2倍，據圖示信息可推知此時陽光直射在20° N，進而可知該日極晝圈為70° N（90°－20°）。當太陽位于B點時，為當地地方時正午12點，而此時的北京時間（東經120°地方時）為16點，時差4小時，經度相隔60°，可算出該地位于60° E。故選D。

例2下圖表示某地一天中兩個不同時刻太陽光線與地面的夾角，據此回答下列三題：

⑴ 這一天，太陽直射點的緯度是（）

A.15° N B.20° N C.15°SD.20° S

⑵ 該地的地理緯度是（ ）

A.70° N B.75° NC.70° SD.75° S

⑶ 當太陽處在正北方上空時，國際標準時為20時，則該地的經度位置是（ ）

A.120° W B.0° C.60° E D.180°

解析北半球極晝圈及其以北地區（極點除外），日最小太陽高度角朝向正北（出現在當地0時），日最大太陽高度（即正午太陽高度）朝向正南方向，并且兩極值之和等于直射點緯度的2倍，據此可推知該日陽光直射20° N。該地緯度等于該日極晝圈緯度70°（90°－20°）與日最小太陽高度之和，即75°N。當太陽處于正北方上空時，該地地方時為0時（或24時），而此時0°經線地方時（國際標準時）為20時，通過時差經度計算可知該地經度為60° E。

答案 ⑴ B ⑵ B ⑶ C 。

綜上可知，陽光直射點的緯度決定著極晝范圍的大小，并影響著極晝區各緯度地點太陽高度角的日變化。在極晝問題的學習中，牢固把握直射點緯度與極晝區內各緯度地點正午太陽的數量關系，問題往往會迎刃而解。◆(作者單位：南昌大學附屬中學)

□責任編輯：周瑜芽