DOC (170.5 Кб) Закачать

Муниципальное общеобразовательное учреждение
средняя общеобразовательная школа №5 г. Твери
Практическая работа
«Определение географических координат места наблюдения»
Секция: География
Выполнил: ученик 9 класса Киселев Денис
Руководитель: Баранова Елена Львовна-учитель физики
Тверь
2010
Оглавление
1 Введение
1.1 Актуальность работы
1.2 Цели и задачи
1.3 Гипотеза
2 Теоретическая часть
2.1 Как определить географическую широту ( метод определения высоты Полярной
звезды)
2.2 Что же такое солнечные сутки
2.3 Определение широты данного места по наблюдению Солнца в момент верхней
кульминации
2.4 Когда наступает полдень
2.5 Теоретический вывод формулы
3 Практическая часть
4 Выводы
5Литература
6 Приложения
1 Введение
11Актуальность работы: Данный метод определения географической широты места наблюдения универсален и прост. Он позволяет исследователю без
применения глобальных навигационных систем с помощью
простейших самодельных измерительных приборов определить
географические координаты места наблюдения. В этой работе
проявляется взаимосвязь знаний, умений и навыков, приобретенных при изучении геометрии, географии и астрономии.
1.2 Цель работы: Определить географическую широту места наблюдения.
1.3 Задачи работы: 1. С помощью теодолита измерить высоту Полярной звезды.
2. Измерив высоту Солнца в момент верхней кульминации, с помощью
необходимых вычислений определить географическую широту места наблюдения.
1.4 Гипотеза. а) Высота полюса мира равна географической широте места наблюдения.
Следовательно, определив высоту Полярной звезды, находящейся вблизи полюса мира,
можно определить географическую широту места наблюдения.
б) Географическая широта определяется с помощью формулы: φ=90º–h+δ,
где φ- географическая широта
h- высота Солнца в момент верхней кульминации
δ- склонение Солнца
Измерив h и определив δ можно вычислить географическую широту.
1
Теоретическая часть.
Как определить географические координаты своего
местонахождения?
Как определить географическую широту.
1.Необходимо выбрать безоблачную ночь и найти на небосклоне Полярную звезду. Ее
легко отыскать по созвездию Большой Медведицы, которое выделяется своей формой в
виде ковша, составленного из семи звезд. Проведите мысленно прямую линию через две
крайние звезды, как показано на рисунке 1 , и отложите пять раз отрезок, равный
расстоянию между ними. В конце этого отрезка будет находиться Полярная звезда.
Рис.1 Нахождение Полярной звезды
Рис.2.Определение географической широты
Теперь возьмите нитку с грузиком, прикрепите ее к центру транспортира и наведите его
основание на Полярную звезду (рис.2).
По шкале транспортира определите угол отметки 90º до нити с грузиком. Результат
будет широтой места наблюдения.
В справедливости данного способа можно легко убедиться, обратившись к рисунку 2.
Известно, что Полярная звезда находится на продолжении оси вращения Земли на очень
большом удалении от нее. Поэтому луч визирования будет практически параллелен земной оси, а угол φ1 равен углу φ, т.е. широте точки стояния.
Для определения второй координаты- долготы необходима подготовительная работа.
Прежде всего определите на местности направление истинного меридиана. Это можно
сделать по Полярной звезде попутно с наблюдением широты места. Для этого одной
вешкой отметьте точку стояния, а другой направление на Полярную звезду.
2
Линия, соединяющая эти вешки, будет соответствовать направлению истинного
меридиана. После этого поставьте ваши часы по гринвичскому времени; для этого
переведите стрелки часов так, чтобы они показывали на 3 часа меньше московского, если
наблюдения проводятся с 1 октября по 31 марта, и на 4 часа меньше московского при
наблюдении с 1 апреля по 30 сентября.
Теперь выберите солнечный день и незадолго до полудня придите на место наблюдения,
дождитесь момента, когда тень от одной вешки будет направлена точно ко второй. В этот
момент у вас будет полдень, т.е. 12 часов по солнечному времени. Разница во времени
между местным и гринвичским временем составляет X часов. Солнце в своем кажущемся
суточном движении вокруг земного шара за час проходит 15º, а за X часов- 15º×X. Это и
будет долгота вашего местонахождения. Для уточнения результата нужно учесть
поправку, связанную с переходом от среднего солнечного времени к истинному(график 1)
Янв.
16
Февр. Март Апр.
3 15
2
17
1 16
Май
Июнь Июль Авг.
Сент.
Окт.
1 16 3 15 30 15 30 14 29 13 28 13 28
Ноябрь Декабрь
12
27
12 27
+15
+10
+5
0
-5
-10
-15
График 1 для определения поправок при переходе от истинного солнечного времени к среднему
солнечному времени
Что же такое солнечные сутки? Это промежуток времени, в течение которого Земля
совершает один оборот вокруг своей оси по отношению к Солнцу. Но этот промежуток
времени из-за неравномерности движения Земли по орбите не всегда одинаков. Солнце
проходит через одну и ту же линию меридиана то немного раньше, то позже.
Неодинаковая продолжительность солнечных суток в разное время года мешает
пользоваться истинным солнечным временем. Поэтому наши часы отрегулированы не по
реальному Солнцу, а по некоторому воображаемому среднему Солнцу, придуманному для
правильного счета времени. Такое время называется средним солнечным. Вот эти-то
средние солнечные сутки и поделены ровно на 24 часа.
3
Истинные сутки отличаются от средних самое большое на 30 секунд, разница с каждым
днем увеличивается и 11 февраля и 2 ноября достигает наибольшей величины - примерно
четверти часа, а четыре раза в год (15 апреля, 14 июня, 1 сентября и 24 декабря) среднее
солнечное время совпадает с истинным. Разницу между средним и истинным солнечным
временем любой даты можно определить по графику 1.[1]
2. Определение широты данного места по наблюдению Солнца в момент верхней
кульминации. Для выполнения работы используем формулу h= 90º — φ + δ, из которой
находим широту места: φ= 90º—h + δ . Для определения географической широты, как
видно из формулы, необходимо знать высоту Солнца в момент верхней кульминации и
его склонение для данной даты.
Высота Солнца определяется следующим образом : а) Верхняя кульминация светил
наблюдается в тот момент, когда светило пересекает южную часть местного меридиана.
Будем исходить из того, что плоскость небесного меридиана нам известна. Перед
выполнением работы устанавливаем угломерный прибор таким образом, чтобы его отвес
находился над полуденной линией. Зрительную трубку наводим так, чтобы вертикальная
нить в поле зрения окуляра находилась в одной плоскости с двумя отвесами,
установленными на площадке, а нулевая точка отсчета на горизонтальном лимбе ( точка
юга) заняла бы свое место на линии меридиана.
Наденем на окуляр темный светофильтр и, чтобы не пропустить момент прохождения
Солнца через меридиан, установим зрительную трубку прибора примерно на ту высоту, на
которой должно находиться Солнце (рис.3)
Как только Солнце окажется в поле зрения окуляра, определим высоту нижнего края
диска (в действительности - верхнего). Вычтя из полученного значения 16' (диаметр
видимого диска Солнца 32'), определим высоту центра диска Солнца во время верхней
кульминации.
б)
Известно, что Солнце находится в верхней кульминации ровно в полдень. Это
значит, что можно, не определяя линию меридиана, определить высоту Солнца в полдень.
Рис.3 Фиксирование плоскости и линии меридиана на астрономической площадке.[2]
4
Когда наступает полдень?
Прежде всего, уточним само понятие «полдень». Полдень наступает в момент, когда
пройдет половина времени от восхода до захода Солнца. В полдень Солнце занимает
самое высокое положение и указывает направление точно на юг (в северном полушарии).
И если с последним ударом кремлевских курантов диктор объявляет по радио «В Москве
полдень», то истинный полдень в Москве еще не наступил. Ведь стрелки наших часов
передвинуты на час, а в летнее время на два часа вперед. Кроме того, следует учесть, что
для любого пункта, расположенного в пределах часового пояса, принимается время,
соответствующее среднему солнечному времени среднего меридиана пояса. Для пунктов,
расположенных на других меридианах того же пояса, среднее солнечное время будет
другим.
Предположим, вы живете в Риге. Рига расположена на 24º восточной долготы, в часовом
поясе, средний меридиан которого 30º. Значит, Рига находится к западу от среднего
меридиана на 6º и полдень у вас наступит не в 13 (в летнее время не в 14) часов, как в
пунктах, лежащих на среднем меридиане, а позже. На сколько же минут позже?
Известно, что путь в 1º Солнце проходит за 4 минуты, а путь 6º- за 24 минуты. Таким
образом, полдень в Риге наступит в 13 часов 24 минуты в зимнее время и в 14 часов 24
минуты в летнее время. В такое время полдень будет только в дни, когда истинное
солнечное время соответствует среднему солнечному времени. В другие дни среднее
солнечное время, по которому настроены наши часы, будет больше
или меньше
истинного и, чтобы узнать, когда наступит полдень в любой другой день, нужно ввести
соответствующую поправку по графику 1. Например, в середине февраля полдень по
нашим часам наступит на 14 минут позже, а в начале ноября на 16 минут раньше.[1]
3. Теоретический вывод формулы φ = 90º- h + δ
а) Высота полюса мира и географическая широта места наблюдения. В одно и тоже
время
вид
звездного
неба
на
различных
географических
широтах
не
одинакова. Так, например, в Москве высота Полярной звезды около 56º, а в Мурманске
68º, во Владивостоке 43º. Поскольку Полярная звезда отстоит от северного полюса мира
примерно на 1'( ее склонение δ=89º16' ), то и высота полюса мира на разных высотах будет
различной. Докажем, что всюду высота полюса мира (h
p)
равна географической широте
места наблюдения(φ). Для этого рассмотрим рисунок 4.
В точке О на поверхности Земли находится наблюдатель. <АО1О=φ- географическая
широта места наблюдения (О). Продолжив радиус Земли ОО1, получим направление
отвесной линии ОZ. Плоскость горизонта, как вы знаете, перпендикулярна отвесной
5
линии и проходит через точку, в которой находится наблюдатель. Следовательно,
касательная SN – полуденная линия. Наблюдатель видит северный полюс мира в
направлении ОР( ось мира параллельна оси Земли). < PON- высота полюса мира (h p).
Легко видеть, что <PON= <AO1O (как углы с соответственно перпендикулярными
сторонами). Следовательно,
h p = φ.
Т.е. высота полюса мира равна географической широте места наблюдения.
Поэтому приближенно географическую широту места наблюдения можно определить,
измерив высоту Полярной звезды.
б) Суточное движение звезд на разных широтах. Каким увидит это движение
наблюдатель, находящийся на Северном полюсе или на земном экваторе.
Географическая широта Северного полюса Земли φ= 90º. Значит , там Северный полюс
мира находится в зените (h p=90º). Плоскость небесного экватора перпендикулярна к
плоскости горизонта. Все звезды на земном экваторе восходят и заходят, а их суточные
пути расположены отвесно по отношению к горизонту. Следовательно, уже по
расположению суточных параллелей по отношению к горизонту можно получить
представление о географической широте места.
в) Связь между склонением δ, высотой h светила и географической широтой φ .
6
Некоторые важные для практических целей соотношения легко получить, проецируя
сферу на плоскость небесного меридиана (рис. 5). В точке М1 находится светило, верхняя
кульминация которого происходит к югу от зенита (склонение светила δ1, а зенитное
расстояние Z1).
ZˇQ= φ , так как ZˇQ=PˇN= h p , ZˇM1= z1, а QˇM1= δ1. Поскольку ZˇQ=QˇM1+ ZˇM1, то
φ=δ1+z1
(1)
Учитывая, что z= 90º– h, равенство (1) можно представить в виде:
φ=δ1+ (90º –h1), или φ=90º –h+δ
(1')
Из формулы (1') следует, что измерив в момент верхней кульминации высоту (зенитное
расстояние) светила и взяв из каталога склонение светила, можно вычислить
географическую широту места наблюдения.
7
Практическая часть.
1.Определение географической широты с помощью Полярной звезды.
Измерения проводились в Первомайском районе гТвери на открытой местности. Для
измерений использовался самодельный теодолит. Измерение высоты Полярной звезды
производилось следующим образом: измеряли угол β между вертикалью и направлением
на Полярную звезду, затем определялась высота полярной звезды по формуле h = β– 90º
Результаты измерений и вычислений занесены в таблицу1
время
β
h=φ
31/03/10
21-35
148º
58º
2/04/10
22-40
149º
59º
Дата наблюдений
2 Определение географической широты с помощью Солнца.
Измерения проводились на территории школы с помощью теодолита. Результаты
измерений и вычислений занесены в таблицу 2
Дата наблюдений
время
Полдень Полдень
по моск. истинный
Высота
Солнца, h
Склонение
Солнца,δ
Географическая
широта,φ
φ=90º–h+δ
времени
3/03/10
13ч 10м
12.00
28º
–8º
54º
6/03/10
13ч 7м
12.00
28º
–7º
55º
13ч
12.00
29º
–5º
56º
10/03/ 10
07м
Выводы: Используя два метода определения географической широты мы получили
среднее значение φ= 56,4º. С учетом погрешностей ( положение Полярной звезды не
совпадает с положением полюса мира на 1,5º, Солнце нельзя при измерениях принять за
материальную точку) данный результат приблизительно согласуется со справочными
данными ( φ≈ 57º )
8
Список литературы:
1. А.М.Куприн, «На местности и по карте», Москва ,«Недра», 1982г.
2. Ю.А.Гришин,
«Внеклассная
и
учебная
работа
по
астрономии»,
«Просвещение», 1990г.
3. Е.П.Левитан, «Астрономия», 11кл, Москва, «Просвещение», 1999г.
9
Москва,
Приложение:
График изменения склонения Солнца δ в течение года.
δ
1.12
1.11
1.10
1.9
1.8
1.7
|
|
|
|
|
|
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
10
Автореферат
«Определение географических координат места наблюдения»
В данной работе представлены два метода определения географических координат места
наблюдения: с помощью вычисления высоты Полярной звезды и с помощью вычислений
на основе измерения высоты Солнца в полдень. Данные методы просты. Они позволяют
без применения спутниковых навигационных систем определять географические широту
и долготу места наблюдения. В этой работе проявляется взаимосвязь знаний , умений и
навыков, приобретенных на уроках географии, геометрии, астрономии , физики.
Учащиеся могут самостоятельно изготовить простейший теодолит ( прибор , определяющий высоты светил в градусной мере т,к. высоте светила соответствует угол между
линией горизонта и направлением на светило)
В первом методе географическая широта места наблюдателя соответствует высоте h Полярной звезды.
φ=h
Во втором методе для определения географической широты необходимо воспользоваться
формулой
φ=90º–h+δ
где φ- географическая широта, h- высота Солнца , δ- склонение Солнца;
В этом методе измерения необходимо проводить в момент истинного полдня (момент
верхней кульминации Солнца), который не совпадает по времени с полуднем по
московскому времени в данном месте наблюдения. Для определения момента истинного
полдня используется таблица-график1.
Определить географическую долготу можно по Полярной звезде, определив направление
истинного меридиана по двум вешкам, а затем днем в полдень, когда тень от одной вешки
будет направлена к другой , определить разницу во времени между гринвичским
временем и местным Х, умножив эту разницу на 15º. Полученная величина будет
являться географической долготой места наблюдения.
Автор: Киселев Денис
9 класс, МОУСОШ №5