地球的绕日运动[下学期]

地球的绕日运动
一、目标导航
[知识与技能]
了解地球公转运动的方向，周期，地轴倾斜等基本特征。
了解地球公转运动产生的正午太阳高度变化，昼夜长短变化，五带划分等地理现象。
[科学思考]
经历观察自然现象的过程，能从自然现象中归纳简单的科学规律，并尝试应用所学的科学知识解释生活中的一些具体问题。
[解决问题]
在观测杆影和读图等观察方式中了解一些地理现象，推测地球在不停的公转，了解地球公转的基本特征，进而使学生了解地球公转运动产生的正午太阳高度变化、知道地球上太阳直射点的移动情况，昼夜长短的周年变化，四季是如何形成的及五带划分等地理现象。
[情感与态度]
通过学习地球公转的知识，激发对地球和宇宙的好奇心。对学生进行唯物主义和无神论的教育，培养学生热爱科学和勇于探索的精神。
二、要点扫描
[课标解读]
能在教师指导下，通过地球仪模拟演示，简要解释在观测杆影和读图等观察方式中发现的地理现象。使学生初步学会画一幅简单的地球公转示意图。
通过教师课件及学生用地球仪模拟演示使学生了解地球公转运动的方向、周期、地轴倾斜等基本特征。进而使学生了解地球公转运动产生的正午太阳高度变化、知道地球上太阳直射点的移动情况，昼夜长短的周年变化，四季是如何形成的及五带划分等地理现象。使学生初步了解地球是不断运动着的，地球上许多地理现象都同地球的运动有关。
[内容分析]
本节课是初中科学第二册第4章不断运动的地球中第3节。教材主要介绍地球公转及由于地球运动而产生的现象，包括地球公转特征、正午太阳高度变化、昼夜长短变化和五带划分等内容。由于绕日运动比自转更为复杂、更为宏观和抽象，教材尽可能从生活体验如手，引导学生探究抽象的空间问题。在编排结构上，教材将主要内容分成三个部分。第一部分是地球公转特征及其正午太阳高度的变化。教材将观测杆影的启示作为切入口，从杆影的观测中发现，太阳高度不仅有日变化，而且还有季节的变化，从而探讨地球公转的特征。然后通过公转演示实验全面探讨地球公转产生正午太阳高度季节变化的基本原理。第二部分和第三部分分别是昼夜长短变化和五带划分。其中五带知识学生已经学过，教材只作适当点拨。
本节的重点内容是：地球上正午太阳高度角的变化原因和测定，昼夜长短变化情况，地球上五带的划分。本节的难点内容是：地球上正午太阳高度角的变化情况。
[学情认识]
学生已经学习了地球自转的知识，对于物体的空间运动情况的认识有了一定的基础。
初一的学生注意力的集中和稳定的时间比较短，抽象思维能力较低，知识的形成还处于感性认识的阶段。因此，在本节课的学习当中，应充分发挥实验和多媒体课件的作用。
[学法点拨]
由观察阳光照射下的物影长度的变化实验入手，探索物影长度变化产生的原因。利用多媒体课件和实验，充分发挥学生的直观观察能力，注重学生的感性认识。在观察和比较的过程中，了解地球公转的特点以及由于地球公转产生的地理现象。
[经验介绍]
1、本节的内容安排如果按照参考书的分配方法，第一课时的时间比较紧凑，第三课时又显得比较空闲。而且第一课时重点内容比较多。
2、关于太阳高度角的计算，学生的理解存在困难，建议不必纳入课堂教学，只要理解正午太阳高度的变化情况就可以了。
3、本节重点内容和难点内容都比较集中，学习对象属于宏观立体的天体运动，宜多安排模拟实验、挂图、课件演示等直观的教学方法，使学生容易理解。
4、掌握太阳直射点的移动规律是关键，将有助于理解掌握本节的其他内容。
三、教学文档
[教学资源]
有关地球公转的多媒体课件、地球仪、火柴、橡皮泥、太阳平行光线板、手电筒
[教学路径]
在教学之前先做物影长度的实验，在实验中初步了解一天中的物影长度的变化，并做好记录。
观测时间 标杆高度/cm 标杆影长/cm 杆影方向
上午7时
上午9时
正午12时
下午3时
下午5时
第一课时
【引入】：通过观察，你发现一天之中杆影是怎么变化的？（学生回答的时候，最好能说出杆影的长短变化和朝向变化。）
【新课学习】：
观测杆影的发现
思考：杆影的长度和什么有关？
概念：太阳光与地面的夹角叫做
太阳高度角，简称太阳高度。杆
影的长度和太阳高度有关。
思考：一天中的杆影最短是什么
时候？此时的杆影朝什么方向呢？
学生回答：正午的影子最短，杆影朝正北方向。太阳位于该地的正南方向。
猜想：南半球中高纬度位置，正午的杆影会朝向哪个方向？
讨论：今天正午，温州和北京的太阳高度一样吗？
演示实验：在地球仪的不同纬度位置粘上几根火柴，
分布于赤道、南北回归线、南北极圈、南北极等各点。
以一光源做太阳。
观察：火柴杆的影子在何处最短？正午太阳高
度何处最大？
概念：受到太阳光垂直照射的现象简称直射。
地表接受太阳垂直照射的点叫做太阳直射点。
在太阳直射点的物体，影子的长度是零。
结论：太阳的高度以太阳直射点为中心，向南北两侧递减，影子长度越来越长。所以纬度位置不同的各个地方，正午的太阳高度是不同的。
讨论：一年中，温州每天正午的太阳高度都是一样的吗？谁能举例说明这个问题？
举例：观察射入室内的阳光，夏天和冬天比，哪个季节更深些？
课件演示：冬天和夏天北半球某地的杆影长度的变化。结合课件说明，夏天太阳高度大，所以阳光入室比较浅；冬天太阳高度小，所以阳光入室比较深。
结论：同一地方每天正午的太阳高度是随季节而变化的。
设问过渡：物体的影子为什么会随季节的变化而变化呢？（或每天正午的太阳高度为什么随季节而变化呢？）
地球的公转
课件演示：模拟地球的公转
教师介绍春分、夏至、秋分、冬至四点的日期。
要求学生通过观察描述地球公转的特点（包括描述地球的公转方向；地球公转的时候，自转轴在宇宙空间的姿态是怎么样的）。
结论：地球公转方向是自西向东，地轴呈倾斜状态，地轴北端始终指向北极星。
地球公转一周所需时间为365.2422天，即一年。
设问过渡：地球的公转为什么会使太阳的高度发生变化呢？
正午太阳高度变化
模拟实验：（或课件演示）突出春分、夏至、秋分、冬至四个时间。
观察：在地球公转的时候，太阳直射点有什么变化？
概念：南回归线（南纬23.5○）和北回归线（北纬23.5○）
一年中，太阳直射点在南北回归线之间来回移动。
四个时间点的太阳直射点的纬度位置
时间 太阳直射点的纬度位置
春分
夏至
秋分
冬至
问题：冬至日和夏至日相比，北纬300的正午太阳高度有什么变化？
回答：冬至日，太阳直射南回归线（南纬23.5○），北纬300的正午太阳高度小；夏至日，太阳的直射北回归线（北纬23.5○），北纬300的正午太阳高度大。
注：要求初中学生计算正午太阳高度似乎没有必要，知道变化就够了。
结论：各地的正午太阳高度角是随着太阳直射点的移动而发生变化的。
思考：观察你所在地区的居民楼朝向，通常是朝哪个方向的，为什么？
为使低层住户也能全年见到阳光，两幢楼之间的距离应依旧哪一天的楼影来计算，为什么？
第二课时
【复习】：说说地球公转的特点
为什么夏至日和冬至日的正午太阳高度不同？
学生回答：是因为太阳直射点的移动。
【引课】： 太阳直射点的移动不仅影响正午太阳高度的变化，还会带来其他的影响。
【新课学习】：
昼夜长短变化
思考：想想我们温州夏天天亮的时间大约是几点？冬天天亮的时间大约是几点？你知道他们为什么不同吗？
读图：北纬40某地昼夜长短的年变化
问题：该地白天最长出现在哪个月份？白天最长大约是几个小时？
黑夜最长出现在哪个月份？黑夜最长大约几个小时？
讨论：温州一年中哪个月份的白天最长？哪个月份的白昼最短呢？
模拟演示或课件演示：地球的公转和昼夜长短的变化情况（注意春分、夏至、秋分、冬至四个时间点停留，在原位自转）。
观察：地球在公转的过程中，北半球（确定几点）白天和黑夜的变化情况。并记录在下表中：
时间 太阳直射点位置 下列各纬度地区昼夜长短状况
3月21日 赤道
23.50N
66.50N
800N
6月22日 赤道
23.50N
66.50N
800N
9月23日 赤道
23.50N
66.50N
800N
12月22日 赤道
23.50N
66.50N
800N
根据记录的数据回答下列问题：
北半球什么时候昼长于夜？什么时候夜长于昼？
北半球哪天白昼最长？哪一天黑夜最长？什么时候昼夜平分？
北极和南极地区有什么现象？（出现极昼现象和极夜现象）
当太阳直射23.50N时，北半球各纬度昼长是否相等？有什么规律？
当太阳直射23.50S时，情况一样吗？
在完成上述问题以后，教师追问：
南半球和赤道上昼夜长短变化又是怎样的？
（也分四个时间点描述）
总结：太阳直射点的移动引起了地球上昼夜长短的变化。
思考：我国科学家去南极考察一般选择什么时间比较好？说说理由。
【板书设计】：
昼夜长短变化
1、季节变化
春分、秋分：全球昼夜平分
夏至：北半球白昼最长；冬至：北半球白昼最短
春分～秋分：北半球昼长夜短，北极圈内有极昼现象；秋分～次年春分：北半球夜长昼短，南极圈内有极昼现象。
2、纬度变化
赤道：全年昼夜平分。
赤道～北极：夏半年，纬度越高白昼越长；冬半年，纬度越高黑夜越长。
第三课时
【复习】：太阳直射点在地球表面移动的范围是怎样的？
【引课】：春节的时候，哈尔滨的人总是高高兴兴的去溜冰，而广州人却是去玩舞狮、看花市，为什么有这样的不同呢？
回答：冬天广州的气温比哈尔滨要高。广州在热带地区，而哈尔滨在温带地区。
【新课学习】：
五带划分
设问：你知道地球表面分为几个热量带吗？
五带划分的依据是什么？
实验比较：“阳光直射地面获得的热量多，还是斜射地面获得的热量多？”
演示：同学们每四人一组，每个小组都有一个手电筒、有一张黑纸板，大家用手电筒垂直照射在黑纸上，再用同一手电筒，在同一位置，倾斜照射黑色纸板
观察：比较哪块光斑亮，哪块光斑大。
思考：“在单位面积上，是直射时获得热量多，还是斜射时获得热量多？”
结论：手电筒照射出的热量是一样的，范围小的时候，黑板得到的热量就比较多。
课件演示：当地球处在不同的位置时，太阳光照的情况。（突出春分、夏至、秋分、冬至四个时间的太阳光照示意图）
注意：(1)南北回归线和南北极圈的位置；
(2)太阳直射点的位置；
(3)极昼、极夜出现的范围。
思考：根据上面我们的分析，从北极圈以内至北极圈到北回归线之间，再到赤道，热量有什么变化？
回答：南北回归线之间得到太阳的热量最多；北极圈以内得到的热量最少；北极圈到北回归线之间得到太阳的热量界于两者之间。
读图：五带的划分
注意五带的分界线在哪里？
问题：五带划分的依据是什么？
小结：南北回归线之间，是地球上有阳光直射现象的地区，是地球上获得太阳热量最多的地区，为热带。极圈以内是阳光斜射的最厉害，是全球获得太阳热量最少的地区，而且还有一段时间是连续的漫长黑夜，因此为寒带。北极圈到北极点的地区，叫北寒带。南极圈到南极点的地区，叫南寒带。极圈到回归线之间的地区既无阳光直射现象，又无极昼极夜现象，得到太阳光热比热带少，比寒带多，为温带。北回归线到北极圈之间叫北温带。南回归线到南极圈之间叫南温带。
讨论：为什么有无阳光直射是划分热带的依据？
为什么有无极昼极夜现象是划分寒带的依据？
寒带极昼期长时间受阳光的照射，为什么还是很寒冷？
设问：我们位于哪个热量带？
展示：世界地图
学生：根据地图找一找
(l)请大家在地球仪上，找到南、北回归线的位置，看一看哪块大陆属于热带的面积最大。（非洲大陆）
(2)请大家在地球仪上找到南、北极圈位置，看一看哪块大陆属于寒带的面积最大。（南极大陆）
(3)请大家看一看地球仪（或东半球图），说出我国的大部分地区在五带中的哪一带。（北温带）
设问：五带划分有什么意义？
展示图片：各个热量带的代表性景物
小结：各个热量带的气候、植被、生物分布情况是有所不同的。
四、学业诊断
例：
赤道上一年有几天正午的人影在脚下？
错答：有365天
分析：
正午人影在脚下必须是太阳直射的时候才发生，所以正确的回答应该是两天。出错的原因是学生错误的把影子和昼夜长短联系起来，因为赤道上总是昼夜平分的。
五、精彩存盘
地球上存在生命的原因？
　　a．地球处在一个比较稳定和安全的宇宙环境。
　　①太阳光照一直比较稳定。
　　②地球附近大、小行星绕日公转方向一致，轨道面几乎在同一平面，各行其道，互不干扰，比较安全。
　　b．地球自身具备生物生存所需的温度、大气、水等条件。
　　①日地距离适中，适宜的温度有利于生命过程的发生和发展。
　　②地球体积和质量适中，其引力恰好吸引了适于生物呼吸的大气层。
　　③地球内部的物质运动加速了水汽从地球内部逸出的过程，形成地球的原始海洋，为生命出现提供可能。
地球为什么具有适合生物生存的温度？
　　地球之所以具有适合生物生存的温度，是由于下面三个原因：
　　①地球距离太阳的远近位置适中。如果地球距离太阳太近，则温度过高；反之，则温度太低。如天王星、海王星、冥王星等离太阳较远，其表面平均温度都在-200℃以下。
　　②地球的自转周期较短，为23小时56分4秒。这就使得地面白昼增温不至于过分炎热，黑夜冷却不至于过分寒冷。
　　③地球有较大的质量，能吸引住大气。由于大气的存在，一方面，它能通过反射、散射、吸收等作用，削弱到达地面的太阳辐射；另一方面，它能通过大气逆辐射的形式，对地面起到保温作用。这样，就使地面的温度变化比较缓和。例如月球，由于自转周期长（27.32日）和没有大气的调节作用，昼夜温差很大，白天太阳直射的地方，温度可达127℃，夜晚则降到-183℃。
我国科学家去南极考察一般选在什么时间比较好？
　　一般选在我们北半球的冬季，此时是南半球的夏季，气候比较好。
六、相关链接
划分四季有哪些方法？
解析：四季的划分，依选用的标准不同而异，目前大致上有以下五种方法：
（一）根据“四立”划分四季。这是我国传统的划分方法。即以立春（2月4或5日）、立夏（5月5或6日）、立秋（8月8日）、立冬（11月7或8日）分别为春、夏、秋、冬四季的起点。这种划分方法只重视接受太阳辐射能的多少，与天文含义相符合，但与气候含义不符。
　　（二）根据“两分”、“两至”划分四季。西方国家多采用这种划分法。即以春分、夏至、秋分、冬至四天分别为春、夏、秋、冬四季的起点。这种划分法具有天文和气候的双重含义，但较多地考虑了气候变化。
　　（三）按照农历划分四季。即把农历正月、二月、三月为春季；四、五、六三个月为夏季；七、八、九三个月为秋季；十、十一、十二三个月为冬季。这种划分方法接近于“四立”划分方法。
　　（四）按照阳历划分四季。即把阳历的3、4、5月定为春季；6、7、8月定为夏季；9、10、11月定为秋季；12、1、2月定为冬季。这种划法接近于“二分”、“二至”划分方法。
　　（五）依据现代气候学划分四季。以候温（即每五天的平均气温）大于22℃的连续时期为夏季；小于10℃的连续日期为冬季；介于10°～22℃之间的为春秋季。这种划分方法以气温为标准，符合气候变化的实际情况。要使春夏秋冬反映地面上的气候条件，必须采用气候本身(而不是天文四季)的标准来划分四季。这样，在同一地点，四季长短并不等。在不同的地点，同一季节并非同时开始，而且，并非到处都有四季。以候温确定季节，对我国农业生产具有重要意义。例如，春始日期南京为3月22日，北京为4月1日，和两地桃花初开的平均日期大致相同。又如，南京、上海平均9月23日进入秋季，这时燕子南归，合乎秋天景象。候温是我国气候学家张宝堃先生提出的。
两小儿辨日”解
解析：中学语文课本上有一篇古文《两小儿辨日》，大意是：一小儿根据“日初出大如车盖，及日中则如盘盂”的现象，认为太阳早晨离人近，中午离人远。另一小儿根据“日初出沧沧凉凉，及其日中如探汤”的现象，认为太阳早晨离人远，中午离人近。请教孔子，而“孔子不能决也”。
　　那么，太阳到底是早晨还是中午离人近？
　　地球绕日运行的轨道为一椭圆，太阳位于其中一个焦点上。每年1月初经过近日点（距太阳14710万公里），7月初经过远日点（距太阳15210万公里）。经过计算，地球每年从远日点向近日点（7月～1月）运行时，从早晨到中午这段时间靠近太阳约8000公里，在此期间，每天中午的太阳比早晨的太阳距离我们近些；反之，地球从近日点向远日点（1月～7月）运行时，每天中午的太阳比早晨距我们远约8000公里。早晨和中午的日地距离8000公里之差，和日地平均距离（1.5亿公里）相比，微不足道，用肉眼是很难观察出来的。可以说，太阳在早晨和中午离我们同样远。
“日初出大如车盖，及日中则如盘盂”，这是人眼接触物体所产生的视觉错误的缘故。在实际生活中，人们都有这样的体验：两个同样大小的圆，如果把其中一个放在几个大圆圈中，把另一个放在几个小圆圈中，粗一看，前者小，后者大。又根据物理学的“光渗”作用，我们看白色图形，总比看同样大小的黑色图形大些。当太阳初升、降落时，地平线上只有一角天空，而且附近还有树木、房屋背衬，加上此时四周天空昏暗，太阳就显得特别亮而且大；中午时，背衬的是辽阔天空，没有物体同它比较，而且四周的天空已很明亮，与太阳亮度相差不太悬殊，因此，看上去太阳显得小了。
　　我们知道，地面辐射是大气的直接热源，而地面辐射能的大小又与地面接收太阳辐射能的多少有关。早晨，太阳初升，地平高度小，阳光斜射在地面上，地面单位面积上吸收到的太阳辐射能少，气温较低，故仍“沧沧凉凉”。中午，太阳直射地面，地面单位面积吸收到的太阳辐射能增大，气温高，故“日中如探汤”。因此，以“远者小而近者大”或“近者热而远者凉”来推论日之远近，是错误的。
四季交替会消失吗？
地球，由于它的自转轴与公转轨道面斜交成66°33′的角度，便形成了四季交替。如果地球自转轴和轨道面垂直或者重合，不同季节的万千气象便不会在同一地方嬗递呈现。在太阳系的九大行星中，可以找到这两种情况的例子。水星、金星和木星属前一种，天王星则属后一种。
　　在天文学上，把空间中与地球的公转轨道面重合的平面叫做黄道面，与地球赤道面重合的平面叫做赤道面。地球自转轴与赤道面成直角相交，赤道面与黄道面相交成23°27′。这个角叫做黄赤交角。根据一百多年来对太阳、月亮和行星的观测，求得黄赤交角正以47″．13/世纪的速率在减小着。它是地球的公转运动在行星引力的摄动下地球公转轨道平面发生转动所引起的。按照天体力学的理论，黄赤交角在几万年的时间内时而减少小，时而增大，当它减到最小时，还在22°左右。
　　1895年，美天文学家纽康根据天体力学定律计算与地球运动有关的各个常数，得到黄赤交角减小速率的理论值为46″．84/世纪。这个数值与上述实测值之间有0″．29/世纪的偏差。1967年，日天文学家青木认为这一偏差可能起源于地幔和地核之间的摩擦作用，即地核内的液体相对于地幔流动着，在边界层上引起摩擦。摩擦要消耗地球自转的动能，改变地球的运动状态。后来，又有人考虑了其它两种作用：一是液核内的带电粒子在流动过程中受到地磁场的作用而消耗能量；二是地幔在日月引力作用下的弹性形变影响液核的运动，因而也改变整个地球的运动状态。不过后一种作用与前两种有根本的区别，即不消耗能量。能量的消耗是一种不可逆过程，就是说运动状态改变后不能再回复到原来状态。因而地幔和地核之间的摩擦和电磁作用只能使黄赤交角永远减小下去，速率是0″．29/世纪。
　　要是黄赤交角真以0″．29/世纪的速率永远减小下去，则四季交替将在2900万年之后消失。
南回归线
北回归线
赤道
南极圈
北极圈