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昼夜时长

初中地理根据纬度和太阳赤纬计算昼长：cos H = (sin h₀ - sin φ sin δ) / (cos φ cos δ)

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关于此实验

6月，伦敦的日照时间超过16小时，而悉尼不到10小时；赤道上每天则约有12小时。原因是地轴倾斜。地球绕太阳运行时，北半球先倾向太阳，随后南半球倾向太阳，因此每条纬线中处于阳光下的部分会增大。选择一个地点和日期，观察纬线如何分为昼夜，并追踪全年日照时长的变化。

学习目标

  • 解释为什么由于地轴倾斜，昼长会随着一年中的季节而变化。
  • 描述在二至和二分时，昼长如何随纬度变化。
  • 解释极圈内的极昼和极夜现象。
  • 比较同一天北半球和南半球的昼长。
  • 根据纬度和日期计算正午时太阳的高度。

使用方法

  1. 1选择六月至日的伦敦。黄色圆和蓝色圆中有多少部分处于白昼？读出昼长。
  2. 2保持日期不变，先选择新加坡，再选择特罗姆瑟。圆中昼夜的分布有什么变化？
  3. 3选择三月和九月的春分、秋分。你注意到各地的昼长有什么特点？
  4. 4比较图中的橙色曲线和蓝色曲线。为什么它们像镜像一样相反？
  5. 5找出六月至日有24小时白昼的最低纬度。这是地球仪上的哪条线？
  6. 6关闭折射设置。为什么白昼会缩短几分钟？

模型

太阳赤纬：日期 d 正午时太阳直射的纬度
纬度 φ 处日落时的时角 H；考虑折射时 h₀ 为 -0.833°，不考虑折射时为 0°
白昼时长：地球每小时自转 15°
当地正午时太阳在地平线以上的高度

假设

  • 地球被视为一个自转轴倾斜 23.44° 的球体，轨道则按圆形处理，因此赤纬呈简单的余弦变化。实际的至日和分日日期可能相差一两天。
  • 时间采用地方太阳时，太阳达到最高点时为正午。钟表时间还受时区、夏令时和均时差影响。
  • 开启折射后，如历书所示，太阳上边缘触及地平线的时刻即为日出或日落。模型不考虑山丘、建筑物和观测者的高度。
  • 一年按 365 天计算，不考虑闰年。

在课堂上试试这个实验

  1. Q1为什么赤道上的白昼时长全年几乎恰好是 12 小时？
  2. Q2在春分和秋分时，所有地方的白昼都约为12小时。请用地球仪解释其中的原因。
  3. Q3为什么北纬60°的城市一年中昼长的变化，比北纬30°的城市大得多？
  4. Q4如果地轴完全没有倾斜，一年中的昼长会是什么样？
  5. Q5为什么夏季最热的时候往往比白昼最长的一天晚几周才到来？

常见问题

为什么在春分和秋分时，白昼仍然略长于12小时？

大气会将地平线下方的阳光折射过来，而且日出是从太阳上缘出现时开始计算，而不是从太阳中心出现时开始计算。这两种效应叠加起来，使白昼的两端各延长几分钟。关闭折射功能，就能看到纯粹几何意义上恰好12小时的白昼。

为什么北极圈以内的地方会出现极昼？

6月，北极点朝向太阳倾斜23.44°。距北极点23.44°以内的所有地点，在地球自转一周的过程中始终处于地球受光的一半，因此太阳永不落下。

白昼最长的一天和日出最早的一天是同一天吗？

不完全是。日出和日落的时刻也会因均时差而偏移，因此在许多地方，最早的日出会出现在六月至日前几天，最晚的日落则出现在至日后几天。