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        飛行員和宇航員眼中的晝與夜

        2013-03-11 05:23:23浙江省衢州第二中學324000金子興
        地理教學 2013年21期
        關(guān)鍵詞:晝長宇航員飛船

        浙江省衢州第二中學(324000) 金子興 魏 華

        浙江省龍游縣第二高級中學(324400) 戴周麗

        飛行員和宇航員眼中的晝與夜

        浙江省衢州第二中學(324000) 金子興 魏 華

        浙江省龍游縣第二高級中學(324400) 戴周麗

        晝夜交替現(xiàn)象與晝夜長短現(xiàn)象是地球運動的產(chǎn)物。我們平時所說的晝夜交替周期和晝夜長短的情況,是以地球上的一個地點為參照物得出的,或是指“靜止”的人類所看到的。但對于飛行中的宇航員和飛行員而言,他們眼中的晝與夜與地表“靜止”的人相比,有極大差異。

        一、飛行員眼中的晝與夜

        飛機是在對流層或平流層中飛行,在飛行時,飛行員看到的地球是靜止的??傻厍騾s以一定的線速度在自轉(zhuǎn)。因而飛行員經(jīng)歷的晝夜交替現(xiàn)象與我們平時所經(jīng)歷的大不相同。

        1. 飛行員眼中的晝夜交替

        飛機飛行方向各異。為減少復雜性,先假設飛機向東飛或向西飛。

        例1.一架飛機向西飛行(飛行速度小于地球自轉(zhuǎn)速度),飛行員連續(xù)測得從正午到正午的時間間隔

        A. 大于一個太陽日

        B. 小于一個太陽日

        C. 等于一個太陽日

        分析:如圖1-1,地球上一點P,上空有一架飛機a,飛機以V1的速度向西飛行,此時太陽位于點P、飛機a的正中天。經(jīng)過一段時間后,由于地球自西向東的自轉(zhuǎn)速度快于飛機的飛行速度,因此飛機在P點的西面(圖1~2所示)。這樣,當太陽再一次位于P點的正中天時,飛行員還沒有看到太陽在正中天(圖1-3所示)。

        因此,在飛行速度小于地球自轉(zhuǎn)速度的情況下,向西飛行時,飛行員眼中的一天應比一個太陽日要稍長。反之則短。本題選A。

        圖1-1

        圖1-2

        圖1-3

        例2.一架飛機于春分日某地當?shù)貢r間6時起飛,向東飛行24小時回到原地,則飛行員在飛行過程中測到的一個太陽日為_______小時,能看到____次日出,經(jīng)歷了小_______時晝長。

        特別地,當飛機向西飛行時。如果飛機飛行速度小于地球自轉(zhuǎn)速度,便是例1的情況。如果飛行速度等于地球自轉(zhuǎn)速度,此時,飛行員晝夜交替的周期是無窮大(即沒有晝夜交替現(xiàn)象),也即飛行員看到的都是同一種景象(如所到之處全是日出或日落或正午)。如果飛行速度大于地球自轉(zhuǎn)速度,則飛行員又能經(jīng)歷晝夜交替現(xiàn)象,不過所看到的日出方向和靜止的人類剛好相反。如果是春秋分日,飛行員便能看到太陽從西邊出來的情景。

        如果飛機沿經(jīng)線圈飛呢?由于不同的緯度地區(qū),晝夜長短不同,則晝夜交替具有復雜性。因而飛行員看到的晝夜交替周期、日出、日落更具有復雜性與抽象性。既然晝夜交替現(xiàn)象是由地球自轉(zhuǎn)運動和飛機飛行共同造成的,那么我們?nèi)裟墚嫵鲲w機在飛行過程中,隨著地球自轉(zhuǎn)的形象直觀圖,問題便能化難為易。

        例3. 一架飛機位于赤道某地于春分日日出時出發(fā),開始向北沿經(jīng)線圈飛行,24小時后回到了原地,求飛行員經(jīng)歷的晝夜更替周期,并判斷飛行員看到日出、日落時的方向(春分日那天,太陽直射點近似地看作位于赤道上,飛機距地面的距離忽略不計)。

        分析:設飛機于圖2中A點起飛,此時飛行員看到第一次日出,日出正東,飛行6小時后,飛機到達北極點(圖4),此時太陽在南方的地平線上;此6個小時飛機在晝中飛行(圖2~圖4)。到達北極點后,沿著180°經(jīng)線飛行6小時后到達赤道(圖6),此6個小時飛機在夜中飛行(圖4~圖6),飛行員再一次到達赤道看到太陽從正西方落下。飛機越過赤道后,繼續(xù)向南飛行6小時后,到達南極點(圖8),此6個小時飛機在晝中飛行(圖6~圖8),此時飛行員在南極點看到太陽在北方落下;越過南極點后,飛行沿著0°經(jīng)線飛行6小時后回到了原地(圖10),此6個小時飛機在夜中飛行(圖8~10圖),此時飛行員在原地又一次看到太陽在東方地平線上升起。

        因此飛行員經(jīng)歷的晝夜更替周期為12小時,在極點看到日落,在赤道看到日出。

        2. 飛行員眼中的晝夜長短

        飛機是地球的一部分,距地球表面飛行時高度不高,可以看成是沿地表飛行,因此在向東或向西飛行過程中,其晝長與夜長的比例與地球表面上的地點是一致的。只是由于晝夜交替的周期在變化,因此飛行員一個晝夜經(jīng)歷的晝長和夜長的時數(shù)也在變化。

        上面分析比較抽象,可以通過圖示的方法進行形象的示意。如圖11。設飛機在0°經(jīng)線赤道上空開始飛行,此時飛行員看到第一次日出(圖11-1所示)。由于地球自西向東自轉(zhuǎn),地球上的人不能觀察到地球自轉(zhuǎn),只看到晨昏線向西運動,由于飛機向東飛行的速度和地球自轉(zhuǎn)的速度相同,因此,經(jīng)6個小時的飛行后,到達90°E上空,此時昏線到達90°E,飛行員第一次看到日落,晝長6小時(圖11-1~圖11-2)。依次類推,進行直觀便可得出相同的結(jié)論。

        二、宇航員眼中的晝與夜

        飛機是地球的一部分,相對于飛機來說,地球是靜止的。而飛船則是繞地球公轉(zhuǎn)的,在飛行時,已成為地球的一顆衛(wèi)星。飛船在公轉(zhuǎn)時,地球也在自轉(zhuǎn)。因而當飛船繞地球公轉(zhuǎn)一周后,地球已往東自轉(zhuǎn)了一定的角度,在地球上觀察,飛船飛行軌道有明顯的向西移動的規(guī)律(如圖12)。

        圖11

        圖12

        因此,宇航員經(jīng)歷的晝與夜于飛行員存在著巨大的差別。

        1. 宇航員眼中的晝夜交替圖13

        圖13

        圖13中,F(xiàn)為太陽直射點,C、A、E、D所在的大圓為晨昏線,飛船沿著A、B、D所在的大圓自東北—東南方向繞地球公轉(zhuǎn)。一天中,由于太陽直射點不變,晨昏線所在的空間位置是不變的,所以當飛船飛至A時,迎來日出,飛至D時,迎來日落。于是,對于宇航員來說,飛船繞地球公轉(zhuǎn)一周,宇航員就經(jīng)歷了一次晝與夜的交替。也即晝夜交替周期=飛船的公轉(zhuǎn)周期。

        我國的“神舟”系列飛船,繞地球一周的時間約90分鐘,晝夜交替周期極短,會對宇航員的生理造成一定的影響。

        2. 宇航員眼中的晝夜長短

        當太陽直射在F點時,南半球晝長夜短,北半球晝短夜長。宇航員眼中的晝夜長短與地表是否一致呢?圖13中,由于晨昏圈和飛船飛行軌道都是大圓,因此兩個大圓必定相互平分(A、D平分飛行軌道)。飛船在A、B、D軌道飛行時,處在晝半球,反之,處在夜半球。因而宇航員一晝夜中,經(jīng)歷的晝與夜是平分的??紤]到飛船離地表有一定的高度,實際上的晝比夜略長些。

        飛船一般在距地表300km至700km左右繞地球公轉(zhuǎn)。根據(jù)飛船公轉(zhuǎn)線速度與離地球的距離成反比的原理可知,飛船距地表越近,公轉(zhuǎn)速度越大,所需要的時間就越短,宇航員眼中的晝夜長短也就發(fā)生變化。一般而言,在近地點的半圓比在與遠地點的半圓所需時間要略短些。如果在近地點時恰好在夜半球飛行,在遠地點時恰好在在晝半球飛行,結(jié)合飛船有一定的高度,那么宇航員經(jīng)歷的晝長必定長于夜長。

        總之,地球上的晝夜交替與長短現(xiàn)象,是中學地理的重要內(nèi)容,與我們的生產(chǎn)與生活密切相關(guān)。由于它的產(chǎn)生會受到各種因素的影響,其規(guī)律有一定的復雜性,是中學地理的難點內(nèi)容。加上飛機與飛船本身的運動,使其規(guī)律又增添了復雜性??偨Y(jié)飛行員、宇航員眼中的晝與夜的規(guī)律,恰恰也表明了教師在教學中創(chuàng)造性的開發(fā)了教材,使其教學能體現(xiàn)時代性,做到與時俱進!

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