观天追影测短长

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  假期里我和爸爸妈妈经常外出旅游,用相机留下了很多精彩的瞬间。一次翻阅相册,一张拍摄于2015年2月27日的照片勾起了我美好的回忆。那是在法国巴黎凡尔赛宫后花园,清晨的阳光把我们一家三口手牵手的身影投射到草地上。巨大清晰的人影非常有趣,还引发了我关于影子长度的思考。
  经过分析发现,如果知道当时的日照高度,就能计算出人影的长度。数码相机在拍摄时会记录当时的时间和位置数据,有这些基本数据,理论上就能计算出日照高度。我拿出地球仪,乍看起来,球面上每一点相对日照的高度都不相同,再加上日地之间的相对运动以及地轴倾斜带来的季节改变,日照高度真是千变万化,难以捉摸。不过影响日照高度的因素不外乎纬度、经度、日期、时间这几方面,另外地球上有许多特征点有现成的数据,可以加以利用。由于地球公转、自转的时间存在连续均匀性,还有地球表面各点在圆球体上距离变化的连续均匀性,就可以简单地用已知两点的数据,用平均算法求出两点间任意点的相关数据。
  利用上述方法,我计算出了已知特殊点的昼长变化、任意纬度昼长变化、不同纬度昼夜变化长度、任意时间日照高度等数据。推算过程如下:
  已知特殊点的昼长变化
  1.选定一条特殊纬度线(北极圈纬度)的昼长时间,其公转经过两个特殊点:春分点,昼夜长均为12小时;夏至点,极昼时间长24小时。
  2.春分点和夏至点的日期是基本固定的,以夏至点的日期减去春分点的日期,得到运行天数。
  3.用公式计算:北纬66.567。北极圈的白昼随日期每天变化的长度值(小时)一(夏至白昼长度春分白昼长度)/(夏至日期春分日期)一0.1304小时。
  任意纬度昼长变化
  1.选择另一条纬度线,每条纬线都有过公转特殊点的已知昼长时间,即春分点和秋分点,选定春分点。
  2.让该线与已知昼长的北极圈线发生关联,计算出该纬度线的昼长变化常数。
  3.用公式计算:北回归线纬度23.433。夏至昼长时间一(北极圈纬度 北回归线纬度)×纬度差昼长变化常数(0.1803)一16.22小时。
  用以上方法,可以把上式中的北回归线纬度视为一个任意的变量,在公式中代入其他纬度的数值,就可以得到所需纬度的特殊昼长变化常数。其他计算过程不在本文赘述。
  我将计算出的系列数据输入电子表格中,得出了多地即时日照高度测算表。为验证表格中数据的准确性,我又到户外做了实地测试。我请爸爸站立在广场中,在他投射在地面的身影的头顶部和脚部分别做了标记。然后用卷尺测量出两点的投影长度为320cm,再测量出爸爸的身高为180cm。
  把测出的数据输入计算表中,得出影子长度是339cm。怎么有19cm的误差呢?原来测量影子时量到了脚尖部分,鞋影的长度还有27cm呢,19cm不是正好到脚中间嘛。
  这套测算方法的准确性得到验证之后,我便将三人影子照片中的相关数据输入测算表。拍攝时间是2015年2月27日6:45,拍摄地点位于北纬48.9°,经测算表计算,爸爸的影子长度为45.37米,妈妈的影子长度为42米,我的影子长度为32.76米,真是三个巨人啊!
  这个关于影子的问题,在现实生活、工作中能应用到很多方面。比如建筑投影的遮挡范围、屋顶太阳能板设置的合理角度、观看日出日落或街灯开闭的时间、利用影子测算产生影子实物的高度等等。我不仅为自己测算出了影子长度而喜悦,也体会到了科学的奥妙,更感受到了发现问题并解决问题过程中的快乐。
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