“正午太阳高度”疑难解析，本文主要内容关键词为：正午论文,疑难论文,高度论文,太阳论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、正午太阳高度角的概念
什么叫正午？从时刻上看即一天中白昼的中间时刻，即昼半球中央经线的时刻，是直射点所在经线的地方时，其地方时为12点。从位置上看则一定位于昼半球中央经线、昼弧的中点、直射点所在经线。正午是一个时间概念，同时也有固定的位置。太阳高度角是太阳光线与当地地平面的夹角。故正午太阳高度角为某地正午（地方时12点）时的太阳高度角，即昼半球中央经线上的太阳高度角。如当北京时间为12点时，全球有且只有120°E经线上的太阳高度角才是正午太阳高度角。在太阳视运动图上表现如图1。
图1中∠AON为正午太阳高度角，也是当天最大的太阳高度角。表现在常见光照图上一般有以下几种情况（图2～图4）。
图2中A点、图3中C点、图4中C点的太阳高度角是正午太阳高度角，其余各点虽然也有太阳高度角，但由于时刻值不是当地地方时12时，不是正午，故不是正午太阳高度角。
二、正午太阳高度角的变化规律
1.正午太阳高度角的空间变化规律
夏至日，由北回归线向南北两侧随着与直射点的纬距（即两点间的纬度距离，在同一个半球可用两点的纬度值相减取绝对值，不在同一个半球则用两点的纬度值相加）的增大，正午太阳高度角越来越小，即正午太阳高度角由北回归线向南北两侧递减；冬至日，由南回归线向南北两侧随着与直射点纬距的增大，正午太阳高度角越来越小，即正午太阳高度角由南回归线向南北两侧递减。以此类推，春秋分日则由赤道向南北两侧递减。某地与直射点纬距越小，则该地正午太阳高度角越大，反之与直射点纬距越大，则该地正午太阳高度角越小。所以正午太阳高度角的空间变化规律是：由直射点向南北两侧递减；离直射点纬距越小，正午太阳高度角越大，反之则越小。
2.正午太阳高度角的年变化规律
从图5可推出，6月22日至12月22日时，直射点南移，南回归线及其以南与直射点纬距越来越小，正午太阳高度角越来越大。当直射点到达南回归线时，南回归线及其以南与直射点纬距达一年中最小，其正午太阳高度角达一年中最大。12月22日至6月22日，直射点北移，南回归线及其以南与直射点纬距越来越大，其正午太阳高度角也越来越小，直至6月22日正午太阳高度角达一年中最小。同理，其他任何纬度正午太阳高度角的时间变化规律也可由此推出。
三、太阳高度角的计算
1.正午太阳高度角的计算
正午太阳高度角的计算实际是数学上弦切角的计算。仅从数学角度看，初中学生就可以算出，但为什么对于高中学生却成了一个难点？原因在于弦切角被穿上了“正午太阳高度角”的外衣。因此，在实际的教学中，可以先从数学的角度切入，再引申到正午太阳高度角（图6、图7）。
根据初中的数学知识，学生很容易得出结论：图6的∠ABD=90°-（∠BOC-∠DOC），图7的∠ABD=90°-（∠BOC+∠DOC），当学生算出结论后，可告知OC所在直线为赤道的侧视图，O所在的纵轴直线为地轴。根据纬度的定义，∠BOC和∠DOC分别是当地B点和太阳直射点的纬度；根据正午太阳高度角的定义，∠ABD实际是正午太阳高度角；而无论是∠BOC-∠DOC还是∠BOC+∠DOC都是当地B点与太阳直射点间的纬距。
这样，可推算出正午太阳高度角的公式为：H=90°-纬距。这里的纬距即数学里一个圆上两点间的弧度距离（劣弧），所以，正午太阳高度角公式也可以表示为H=90°-弧距（劣弧）。
2.零时太阳高度角的计算
既然12时经线上的太阳高度角是正午太阳高度角，那0时经线上的太阳高度角呢？为了方便，可仿照正午太阳高度角，为其命名为“零时太阳高度角”。在高考试题中，“零时太阳高度角”也是不可回避的知识点。由于一般情况下正午太阳高度角为正值，所以这里只讨论为正值即极昼区的零时太阳高度角。以北极极昼区为例，其在光照图上表现为图8。
图8中A点所在经线地方时为零时，则∠1即为所求的“零时太阳高度角”，根据数学知识可知：H=∠1=∠2=90°-（∠3+∠4），其实这里的∠3+∠4即当地A点与直射点D点的弧度距离（也即当地A点和太阳直射点D点与北极点间的纬距）。所以，零时太阳高度角公式也可表示为：H=90°-弧距（劣弧）。
在此，可以把正午太阳高度角和零时太阳高度角的计算公式统一起来，其计算方法都是用90°减去当地与太阳直射点间的弧度距离，即H=90°-弧距（劣弧）。
四、正午或零时太阳方向的判断
1.正午太阳方位
图9中直射点为C点，故B、C、D、E四点所在经线地方时为12时，该经线经过地区的太阳方位即为正午太阳方位。B点在北回归线以北，由于直射点终年在南北回归线之间往返运动，故北回归线以北地区任意点的正午太阳都位于正南方。同理，南回归线以南地区任意点的正午太阳都在正北方。回归线以内的地区，则要视具体情况确定，其关键都取决于直射点的方位。
2.零时太阳方位
图9中北极地区的A点地方时为零时，故A点的太阳方位即为零时太阳方位。A点要从最近路径到达直射点C点，必先往正北，过北极点再往正南。所以对A点来说，此刻的太阳方位位于其正北。同理，如果是南极地区的零时太阳方位必然位于正南方。
所以，无论正午太阳方位还是零时太阳方位，其关键都取决于太阳直射点所在的位置，直射点方向确定，则太阳方位确定。
五、正午太阳高度角的应用
1.确定影子的长短及朝向问题
此类问题通常表现为计算楼间距或者杆影长短、朝向问题。要解决这类问题，只要明白两个规律和一个公式：①正午时日影长短与正午太阳高度的大小成反比，即正午太阳高度角越大，影长越短；②影子朝向总与太阳方位相反，如太阳在正北，则日影一定朝正南；③正午或零时太阳高度计算公式：H=90°-弧距（劣弧）。
2.确定地方时或季节
在一天中，正午太阳高度角最大，此刻物影长也最短，地方时一定为12时；而根据正午太阳高度的季节变化规律，如某地正午影长达一年中最长（或正午太阳高度达全年最小）时，为冬至日；反之则为夏至日。
3.计算热水器安装角度
要最大限度地利用太阳能，必须使太阳能热水器的集热面与太阳光垂直，使其集热效率达到最高。若当地当时的正午太阳高度为H，则集热板与地面的夹角应为90°-H（图10）。
4.确定房屋朝向
为了在全年能获得合适的太阳光照，全球不同地区房屋朝向不同。一般应根据正午太阳方位，北回归线以北地区由于全年正午太阳都位于正南方，所以房屋朝向为偏南向，同理，南回归线以南地区房屋朝向为偏北向。
5.判断自然带南北坡的分布高度
南坡和北坡比较，正午太阳方位所在坡面的太阳高度角大，是阳坡，获得太阳光热多，则同一自然带分布的高度比另一侧（阴坡）高。如北回归线以北地区，正午太阳在正南方，则南坡的太阳高度大，南坡即是阳坡，获得太阳光热多。北坡的太阳高度小，是阴坡，获得太阳光热少。所以同一自然带南坡的分布高度比北坡高。
正午太阳高度角知识抽象但却与实际的生产生活联系紧密，一直是高考的难点也是重点。学生不是不能学懂，更多的时候是由于其基本概念不清，抽象思维能力差造成的。讲授过程中只要注重基本概念，更加形象化、具体化，就一定能让学生牢固地掌握这个知识点。