Горизонтальний сонячний годинник

Навчальною програмою з природознавства (5-й клас) передбачено формування уявлень про рух Сонця – джерела світла і тепла на Землі. Учні мають вміти пояснювати причини зміни освітленості півкуль Землі впродовж року, тривалість доби та року на Землі, зміну пір року на Землі, причини сонячних та місячних затемнень, значення вивчення Всесвіту для людини. У курсі «Загальна географія» (6-й клас) вивчаються географічні координати — широта (південна, північна) та довгота (західна і східна), правила відліку географічної широти і довготи.

З урахуванням вікових особливостей учнів даних класів корисним буде проведення спостережень астрономічних явищ і об’єктів, практичних занять, виготовлення нескладних приладів (сонячних годинників, гномонів та інш.).

Рис.2.1 Горизонтальний сонячний годинник

Сонячний годинник – найпростіший прилад для відліку часу.

Горизонтальний сонячний годинник має просту конструкцію і нескладний у виготовленні (рис.2.1). Він поєднує у собі точність, ефективність і простоту. Програмою з трудового навчання для 5-го класу передбачено конструювання та виготовлення виробів з фанери, тому виготовити годинник можна на уроках технічної праці з цього матеріалу. Циферблат також можна виготовити з дошки, а стрілку-гномон – із жерсті.

Горизонтальний сонячний годинник складається з двох частин: 1) циферблата, який розміщений у площині горизонту; 2) стрілки, яка має форму трикутника, один з кутів якого дорівнює географічній широті місцевості. Тобто гномон годинника направлений на полюс світу, він ніби є віссю кола, яке лежить у площині, паралельній екваторові. По цьому колу рухається Сонце.

За тінню від стрілки здійснюється відлік часу. Площина стрілки лежить у площині небесного меридіана (тобто розміщена у напрямі північ-південь). Сонячний годинник показує істинний сонячний час, який на практиці не застосовується, але можна так розрахувати циферблат годинника, що його можна буде застосовувати для визначення поясного часу (літнього або зимнього). У цьому випадку треба враховувати географічні координати місцевості і рівняння часу (ЕОТ) – різницю між істинним і середнім сонячним часом. Рівняння часу може бути теоретично розраховане для будь-якого моменту часу.

Розрахунок циферблата сонячного годинника полягає у визначенні кутів між лінією істинного полудня (напрямом північ-південь) і різними значеннями літнього або зимнього часу Т.

Розраховуємо момент істинного полудня:

Т(пол)=12+ЕОТ–L+n+u

де Т(пол) – момент істинного полудня; ЕОТ – рівняння часу –різниця між часом, який показують звичайні годинники, і часом, який показують сонячні годинники; у кожну пору року існує свій максимум рівняння часу: близько 12 лютого +14,3 хв, 15 травня –3,8 хв, 27 липня +6,4 хв і 4 листопада –16,4 хв; L – географічна довгота (виражена в годинах у розрахунку 1 год=15^о); n – номер годинного поясу (2 – для України); u – поправка на літній (+1) час.

Наприклад, для Глухова (широта 51° 39', довгота 33°59') для 9 червня отримаємо («літній» час):

Т(пол)=12+(–0,96/60)–2,26+2+1=12,72 год =12 год 43 хв

На компакт-диску: За допомогою електронної таблиці Сонячний_Полудень.xlsx ви зможете швидко визначити момент істинного полудня для вашої місцевості

Саме в цю мить Сонце знаходиться точно на півдні і, відповідно, відкидає тінь від стрілки на північ (N на рис 2.1). Розмітку циферблату виконуємо із застосуванням формули tg(α)=sin(f)·tg(t), де α – кут, який відкладається від лінії північ-південь до відповідної відмітки,
f – широта, t – інтервал часу, виражений у градусній мірі (1год=15°).

Наприклад, ми хочемо дізнатися, на якій кутовій відстані від напряму на північ буде знаходитися відмітка 14 годин.

Arctg(sin(f))·tg((12,71-14)·15))=-15,3^о, якщо відлік вести проти годинникової стрілки, то відмітка «14 годин» буде знаходитися на кутовій відстані -15,3^о+360^о=344,7^о. Аналогічно можна розрахувати інші відмітки на циферблаті, зокрема, й чвертьгодинні відмітки. Годинник встановлюється на горизонтальній поверхні таким чином, щоб гномон був орієнтований точно на лінії північ-південь.

Рис. 2.2 Визначення напряму на північ

Визначення напрямку на північ цілком доступний для п’ятикласників. Для цього потрібно закріпити вертикальний штир (гномон) на горизонтальній поверхні. За пару годин до сонячного полудня відзначимо точкою положення тіні від гномона і проведемо коло з центром у місці закріплення гномона і радіусом, рівним довжині тіні від нього в початковий момент спостереження.

Далі потрібно постежити за тінню: вона буде зменшуватися, відходити від намальованого нами кола, але в якийсь момент почне рости і знову перетне її. Зафіксуємо цей дотик тіні другою точкою і з'єднаємо її з першою. Отриманий відрізок розділимо навпіл. Пряма, що проходить через центр кола і середину відрізка, дасть нам полуденну лінію. Ця лінія – точний напрям північ-південь (рис. 2.2). Таким чином, якщо відомо, яка нині година, за допомогою сонячного годинника можна точно визначити напрям на географічний полюс. Нагадаємо, що компас вказує на фізичний полюс планети.

Розрахунок шкали приладу недоступний для учнів 5-6 класів, тому вчитель заздалегідь має підготувати циферблат сонячного годинника. За бажанням на циферблаті окрім годинних, можна нанести півгодинні й чверть годинні відмітки. Підготовка креслення циферблата і гномона може бути автоматизована за допомогою комп’ютера.

На компакт-диску: параметризоване креслення циферблата горизонтального сонячного годинника –Сонячний годинник.cdw (для роботи необхідна програма Компас-3D V12). Для створення креслення циферблата і гномона необхідно лише ввести наступні дані: географічні координати, номер доби (1 січня – 1; 2 січня – 2 і т.д.), номер годинного поясу.

Рис. 2.3 Шкала і гномон горизонтального сонячного годинника