贞元科学 | 学生论文：地球是怎么转的？

贞元数理人文团队贞元教育 2024-01-09

科学老师继续骄傲地曰：

我们贞元的科学课程是基于儿童认知发展水平进行系统设置：

小学低段孩子们身处大科学的世界，充分感知身边事物、观察自然现象；

小学中段进入生命科学领域，孩子们通过种植、养殖与生物建立存在关系，聚焦形态学，以生物演化历程为主线，探究个人生命的生存轨道；

到了高段的五年级则走向地球科学，从脚下的大地到头顶的星空，从地质、地理到宇宙星空，从地质考察到夜观星空，致力于培养孩子们的科学探究思维～

下面是贞元五年级的娴同学在学完四季现象——地球公转之后，独立完成的一篇论文，原文字数居然达到5979，论述过程简直不能再详细了，请一定认真阅读，您一定会受益匪浅！

五年级娴同学

图文：五年级娴同学

大家好，我是五年级River教室的娴同学，我们生活在一个神奇又美丽的地方，它的名字叫地球。地球上的生活年复一年，一天一天过去我们如此熟悉，但有许多东西在悄悄改变，也有许多我们习以为常的现象可以探索。

现象：

其中最为明显的现象就是四季现象：一年中有四个季节，分别是春、夏、秋、冬。四季中的温度变化是有规律的，我们知道春天是温暖的，夏天逐渐变得炎热，秋天凉爽，冬天寒冷。而随着温度的变化，四季中也会有许许多多的植物变化。此外，随着四季变化，昼夜长短也在变化，春天白天比较长，夏天昼长夜短，慢慢的秋天白天开始变短，到冬天是昼短夜长。这就是我们年复一年都能感受到的四季的变化规律。

问题：

科学的探究是什么？科学的探究就是要先知道现象，然后提出问题，再表明自己的猜想。那么请问你能提出什么问题吗？我的问题是：为什么地球上会有出现四季现象？我的一个同学问得更具体，他这样问:为什么会出现一年四季的温度变化？（就是前面我所描述的四季温度变化规律）那么我们先来解决这个问题，提出自己的猜想。

猜想：

1 我们第一个想到的就是光照问题，在温度变化当中，光照问题是形成冷暖的一个重要条件。那么在宇宙中什么属于亮光呢？对于太阳系来讲，那当然是太阳啦。太阳的光照给予地球温暖和热量，所以必定是太阳的照射啦。

2 我们第二个猜想就是：地球是绕着太阳运动的，就是公转，这样地球上温度才能不断的变化。为什么呢？因为如果地球一直在原地自转，不绕太阳公转，那么地球上每一天的光照是没有变化的。我们可以做一个模拟结果：比如，地球上的开封，一天又一天，开封就只有昼夜交替，每一天的光照没有任何变化，所以天与天之间的温度也没有变化，那就不会出现四季温度的变化了。所以，地球和太阳之间的位置是会不断变化的。由此我们推断出:一年四季温度的变化，是地球绕太阳公转所造成的。

新问题：

那么问题又来了，到底地球是如何绕着太阳公转，才能形成四季温度有规律的改变呢？它究竟是怎样的一个轨道呢？

建模1: 地球直立围绕太阳运动

我们班有人是这么想的：让地球绕着太阳走一个圆，这也是绕着太阳走了一周，大概模型是下面这个样子的↓，让地球毫无波折的绕太阳一圈儿，反反复复，就是一个完完整整的360°的圆。

但是这样真的对吗？

很快我们发现了这样并不准确：因为地球上的四季的温度是不同的啊，在地球离太阳比较近的时候应该是夏天，地球离太阳较远的时候是冬天。因为太阳散发热量，离它越近就越热。但如果地球公转轨道真的是一个圆形，365天每天温度都相同，似乎没有发生四季的变化。所以，这个模型被我们pass掉了！

建模2:（地球直立）绕太阳运动的椭圆轨道

于是我们便开始了新的研究。在一次一次不断推论当中，我们猜想到了另一种新的模型。它的样子似乎让四季有了变化，这个公转轨道不再是一个360度的圆，而变成了一个不太整齐的椭圆↓

这个轨道模型，我将地球上的四季大概停留在的那个位置也标了出来，这样可以更加清晰的判断这个模型究竟正不正确。那么这个模型对吗？

我们一起来看一下：首先这个轨道是对称的椭圆形，这样的话，地球绕太阳公转一圈，从春到夏和从秋到冬温度一样，从冬到春和从夏到秋温度也一样啊，这样就只形成了两个季节的温度变化，没有四季现象啊，和我们感受到的四个季节的温度变化不相符，所以这个模型是不对的，也pass！

建模3:（地球直立）有远有近地绕太阳运动

虽然遇见了很多困难，我们的地球模型也被pass掉了很多次，但是因为我们强烈的好奇心，这回我们总结了前面两次的经验，要保证地球一定要离太阳有远有近，才能产生四季的变化，其次，不能完全让太阳在中间形成对称。于是我们的第三个模型出来了↓

可以看这个模型，夏天离太阳最近，冬天离太阳最远，春秋均等。But你仔细想一想，好像有点不对啊。哪里不对呢？我们来看一看。

首先呢，当然是符合我们之前所说的，离太阳近就热，离太阳远就冷，离太阳不近不远为适宜温度，这样就有了四季变化了。但是你看，从夏变到秋好像还可以，但是从秋变到冬的时间怎么过的那么长啊？我们从立夏到立秋需要经历立夏，小满，芒种，夏至，小暑，大暑这六个节气。可明明从立秋到冬至应该也是六个节气啊，可是为什么它的轨道会更长一些呢？难不成因为他的每个节气时间比其他的时间要长？貌似不太可能，因为古人发明24节气时，是把他们同时立为15天一换的。所以，四个季节的时间不一样了，so这个模型也不正确，pass！

【注：此处娴同学默认了地球公转为匀速，其实排除模型的理由可以引入南北半球反季节，但此处不聚焦这个问题，所以直接跳过】

再次，又一个推论模型被否决掉了，但我们依然没有放弃。回头看我们所猜想模型的过程，并没有那么无脑，而是经过了很长时间的推断。所以会到温度变化上，地球上四季温度的变化，与地球绕太阳运动轨道的距离远近无关！

那还有什么办法呢，还有什么因素能够影响地球上温度的变化呢？

这时辛说了出来：那就是高低！高低？！高低，怎么跟温度变化有关？这就是因为太阳的直射。为什么会跟太阳的直射有关系呢？

就正如我们每天所感受到的，早上与晚上太阳并不是那么的热，感觉空气中的温度是温暖的。可是到了中午，太阳就会让你感觉到比早晚更加的热一些。这个的原理就是因为中午太阳是直射我们，太阳的直射就会产生很大的热量；而早上和晚上，太阳就像在地平面上，斜视我们一般，热量没有那么强。我们也可以用一个简单的小实验来解释一下：如果你拿着一个手电筒，手电筒的光源垂直向下，你会发现那个映在某个东西上的点光源很小，但却极其亮，就像太阳一般，那是光线聚集很强烈的地方，会很热很热。然后你将手电筒微微倾斜，不断的倾斜，你会发现那个点光源逐渐的拉长，从一个完完整整的圆变成了一个有点尖的椭圆，而那时那里的光就不会再很强烈，而它的面积也会扩张，光线会四处分散，那片区域也就不至于非常热了。所以这大概就是太阳直射和温度间的关系了。

建模4:（地球直立）上下地绕太阳运动

由此，我们就推理到了这样的一个模型↓

因为我们要太阳能够直射地球，所以让地球能出现在太阳的正下方和正上方。那么，这个模型对吗？

因为要更准确地表示高低，所以你会发现这个图是竖起来的。但是这样子分析起来可能会不太方便，所以我们现在把它放平，把所有东西统一转90度，其他什么都不变，就变成了这样↓

这回，我们把太阳直射点大致标上去，其中地球上的蓝色线表示赤道，这样利于分析。现在我们以我们居住的北半球为例，开始对这个模型进行分析，检验它是否符合我们所感受到的四季温度变化。

先来看位置①，此时太阳直射点位于赤道下方，指向南半球，说得更加精确一点的话，太阳直射点位于地球的南回归线。所以，此时北半球是冷的是冬天，这个位置可能是冬至。

位置②，此时太阳直射点好像刚好位于赤道，这个时候，南北半球太阳照射的范围应该是一样的，这时候白天和黑夜等长。所以不是春分就是秋分了，这个我们现在还无法准确的判定。

位置③，太阳的直射点位于赤道上方，指向北半球，更精确一点，太阳直射点位于地球的北回归线，而且中国的位置就在北回归线上。所以此时，北半球是夏天，这个位置可能是夏至。

既然冬至和夏至都已经推出来了，那么位置②和位置④就很容易推出来一个是春分一个是秋分。

我们再来看这几个位置随着太阳直射点的移动温度如何变化？

从位置①到位置②，太阳的直射点位置是从南回归线逐渐向赤道移动，变化趋势正是逐渐向北。而北半球正是我们所居住，并且以它为例来寻找温度变化规律的一个半球。所以从南回归线到赤道逐渐向北，这意味着我们生活的地方在逐渐变暖。那么这一段时间当然就是春天啦。

从位置②到位置③，太阳直射点位置是从赤道逐渐向北回归线移动，也就是说温度越来越热了。那么这一段时间当然就是夏天啦。

从位置③到位置④，太阳直射点位置是从北回归线逐渐向赤道移动，变化趋势正是逐渐向南，也就是说温度越来越低了，天气变冷，那么这一段时间当然就是秋天啦。

从位置④到位置①，太阳直射点位置是从赤道逐渐向南回归线移动，变化趋势正是继续向南，温度也就更低了，那这段时毫无疑问就是寒冷的冬天了。

所以这一轮四季温度变化，我们总算是搞明白了。并且这个模型非常符合我们感受到的四季温度的变化规律。证明这个模型是对的啦！不枉费我们的一番苦心去研究这个很难很难的模型。

【注：此处娴同学和凡同学很凑巧的用到了地球倾斜的模型，这仅仅是偶然，站在建构的角度，应当先让孩子理解清楚：1，太阳直射点在地球表面的移动，能够导致温度变化；2通过追问：太阳直射点如何在地球表面移动，逐层建构出地球倾斜的观念；3最后通过分析太阳直射点位置的变化以及北半球温度的变化得到最终模型】

追问：但是这个模型为什么就成功了呢？前面几个也有跟它相似啊？可为什么偏偏他是正确的，而其他的却是错误的呢？这就需要我们仔细的观察了。

其实如果你的眼睛很敏锐，应该早就能发现：当我们把整个模型横过之后，地球变成了斜的！你可以再看看之前我们推理的轨道，地球一直都是直立的，的，它直立着围绕着太阳转。这样会让太阳的直射点无法在南北回归线和赤道之间移动，所以无法产生四季温度的变化规律，所以才不正确。所以啦，地球上的四季温度能够有规律地变化，是因为地球斜着身子绕着太阳公转！

那到底怎么描述这个“斜着身子转”呢，其实就是因为有一个夹角的存在，我们称它为“黄赤夹角”。什么是黄赤夹角呢？我来解释一下:黄赤夹角，其实就是由地球公转轨道面(黄道面)与地球赤道面之间形成的夹角，角度约为23°26’。这就是黄赤夹角，现在你懂了吧，这可真是神奇。

继续追问：难道只符合四季温度变化的规律，这个模型就一定正确吗？这个模型否能够解释其它我们感受到的现象？它到底是不是万能的呢？所以，我们便开始用这个模型来，分析四季昼夜长短的变化规律～

直接以春分、夏至、秋分、立冬来标注四个位置。

冬至：太阳直射南回归线，我们生活的北半球背对太阳，所以那一天北半球是最黑暗的时候，夜最长昼最短。

春分：太阳直射赤道，太阳照射在南北半球上的范围是一样的，那一天昼夜平分。

夏至：太阳直射我们生活的北回归线，太阳直射着我们时间比较长，所以那一天夜最短昼最长。

秋分：太阳直射赤道，和春分一样，是昼夜平分的。

我们再来看这几个位置随着太阳直射点的移动昼夜长短如何变化？

能看懂我的分析吗？

从冬至到春分，太阳的直射点位置是从南回归线逐渐向赤道移动，太阳将一点一点的靠近我们所生活的北半球，从冬至的白昼最短黑夜最长，慢慢黑夜将一点一点的缩短，白天逐渐变长，直到春分那一天昼夜平分。

从春分到夏至，太阳的直射点位置从赤道逐渐向北回归线移动，太阳继续向北移动。在这个过程当中，白天不断增长，夜晚不断缩小，直到夏至那一天，白天最长夜晚最短。

从夏至到秋分，太阳直射点从北回归线，又逐渐的转向了赤道。北半球的白天又在不断的缩短，而夜晚就在不断的增长。直到秋分那一天昼夜平分。

从秋分到冬至，太阳直射点从赤道，逐渐向南回归线移动。北半球白天继续缩短，夜晚继续变长，直到冬至昼最短夜最长。

这就是昼夜长短的变化规律，很明显，这个模型也再次解决了我们的这个难题。所以它就真的是那个正确的模型啦～

总之，正是因为地球斜着身子公转，也就是黄赤夹角的存在，才造成太阳直射点能在地球上移动，最终我们的地球才能有四季温度的规律变化及昼夜长短的规律变化。所以它真的是一个非常重要的存在哦。

我的地球运动脑图

这就是地球运动当中的地球公转，它为我们带来春夏秋冬四季的变化，是非常重要的。而我们在研究地球的公转轨道时，采用了科学的建模思想，这真的是很令人兴奋，当然也遇到了很多难题，但在研究这些难题时我们的思维是活跃的，我们在享受这种思考的过程。

编者按：

真是让老师骄傲啊，这骄傲是会传染的，直接从小学传染到初中，初中的地理老师余路遥曰：

“看到这篇文章我惊呆了，惊呆了，惊呆了，洋洒洒五千多字，图文结合，层层推进，追问地球与太阳的运动关系。如此复杂的地球公转模型最终能够清晰呈现，对五年级的孩子来说，真的很了不起。阅读过程中，也有几处不够严谨的地方，也许是文字描述有限，无法真正呈现作者想要表达的内容，也可能是建构过程中的疏漏，但科学探索不就是如此吗？在探究真相的路上，错误远远超出正确的概率，但只要有足够的兴趣和热情，真相就会更加逼近。”

其实，看到科学老师的“请一定认真阅读，您一定会受益匪浅！”时，我也惊呆了，惊呆了，惊呆了，看完五年级孩子的论文之后，我不得不又一次惊呆了，惊呆了，惊呆了。好吧，骄傲吧，尽情地骄傲吧，孩子就是应该让老师骄傲的。

下面是骄傲三部曲的前两部：

贞元科学 | 学生论文：我想知道风是在哪一个方向吹

贞元科学 | 学生论文：地理是怎样影响人类早期文明发展的？

下图是那枚骄傲得让人惊呆了惊呆了惊呆了的科学老师：

－ END －

数学：

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