_月相变化规律演示仪_的设计_制作和应用_颜文景

月相变化是生活中最常见的天文现象之一，是中小学生非常感兴趣的地理知识，但大多数学生仅仅知道月有阴晴圆缺的变化，对月相的变化规律却知之甚少。

实践观察是获取月相变化规律的重要方式，但受制于天气变化和生活经历，学生对月相变化规律的认识是不完整的，对月相变化的成因一知半解。

为了帮助学生认识月相变化规律，弥补观察的不足，笔者设计制作了“月相变化规律演示仪”。

该自制教具在地理课外活动和地理研究性学习活动中应用效果良好，在第七届“华师京城杯”全国优秀自制教具评选中荣获二等奖。

教具装置见图1。

图1 月相变化规律演示仪
一、“月相变化规律演示仪”的设计原理1.日、地、月位置的周期性变化规律
太阳、地球和月球互相吸引、互相绕转，构成了太阳系和地月系两级天体系统，在两级天体系统中，日、地、月三者的位置关系呈现出周期性变化，这种周期性变化是导致月球视形状盈亏现象的根本原因。

教具的设计要能够反映日、地、月三者位置的动态变化关系，最简单的方法就是让太阳和地球的位置相对固定，让月球不断“运动”。

具体做法是：以地球中心为圆心做一个圆，让月球在圆周上运动，这样就可以显示出月球绕着地球转动，同时日、地、月三者的位置
“月相变化规律演示仪”的
设计、制作和应用
颜文景
（福建省大田第一中学, 福建 三明 366100）
关系就会呈现出周期性的变化。

2.昼夜变化原理
受太阳光的照射，地球和月球都会形成昼半球和夜半球，地球上人们观测到的月相，实质上是月球昼半球反射的太阳光达到地球的结果。

如果月球的昼半球背对地球，反射的太阳光无法到达地球，地球上的人们看不到月球；如果月球的昼半球面对地球，反射的太阳光基本上能够到达地球，地球上的人们就可以看到一轮圆月；如果月球的昼半球斜对着地球，反射的太阳光部分到达地球，地球上的人们看到的月亮可能是弯月、弦月或凸月。

因此，教具的设计要能够反映因日、地、月三者相对位置变化而使地球上看到的月球昼半球面积变化状况，其关键之处在于月球绕着地球公转时，在不同位置都要显示出昼夜半球。

为此，先设计一个“圆”代表月球，在“圆”上背对地球的一半涂上黑漆，代表不可视半球，在面对地球的另一半涂上白漆，代表可视半球。

然后再制作一个与“圆”同半径的“半圆”，将“半圆”涂上黑漆，代表月球的夜半球。

将黑色“半圆”套在黑白各半的“圆”上，并且始终保持着背对太阳光的状态。

如图2所示，当月球处在公转轨道的某个位置，它的昼半球与它的可视半球就会发生部分甚至全部的重叠，重叠部分称为月球的可视昼半球。

由于日、地、月三者相互位置的周期性变化，月球的可视昼半球面积就发生了相应变化，从而形成了新月、蛾眉月、上弦月、凸月、满月、下弦月等各种月相。

夜半球图2 可视昼半球的形成
二、“月相变化规律演示仪”的制作过程
教具制作需要准备的材料有：铝塑板、透明有机板、螺丝、螺帽、三合板、黏贴纸、油性笔、角铝、粗铁线、滑槽和滑轮等。

制作过程如下：
1.演示仪面板制作
裁出76cm×66cm铝塑板作为演示仪面板，在面板上画出半径为20cm的大圆作为月球公转轨道，轨道外侧标注朔、上弦月、望、下弦月等月相，对应内侧标注初一、初七初八、十五、廿二廿三等时间；再画出半径为8cm的小圆作为地球（地球背对太阳光的一半为夜，用黑色黏贴纸覆盖），圆心标注为“E”（地球），小圆外侧标注正午、日落、子夜、日出；在月球公转轨道外右侧，画出三条红色平行线代表太阳光。

2.月球公转轴制作
将厚度为0.3cm的透明有机板裁成如图3所示的形状（“T”形连接一个圆），圆M表示月球，“T”形板的横条两端标注“月升”和“月落”，中心E处钻孔；竖条与圆M相连，竖条上画出逆时针转动的红色箭头表示月球的公转方向；以E为圆心，20cm为半径，在圆M做弧线，弧线外侧用绿色黏贴纸覆盖，表示月球的不可视半球。

长度20cm,
图3 月球公转轴
3.滑槽制作
制作两个滑槽（或从窗帘店购买），长度72cm，间隔56cm，用角铁和螺丝固定在铝塑板上，两条滑槽均标注相应的刻度；在滑槽之间用较粗的铁丝做一支长56cm的滑竿，滑竿要尽可能与两条滑槽垂直；用0.3cm厚的有机板做一个直径为12cm的半圆，圆心为“M”，涂上黑漆，用来表示月球的夜半球；在半圆的圆心处钻孔（为了方便拼装，半圆上需保留一个以“M”为圆心、半径为0.7cm的小圆）；用有机板做两个“L”形脚板粘在半圆上，脚板上钻孔让滑竿穿过，滑竿要保持与半圆的弦平行，当半圆沿着公转轨道滑行时，能够保持与太阳光线垂直。

如图4所示。

图4 滑槽与滑竿
4.组装
将月球公转轴上的钻孔E与地球球心E用螺丝固定；将图4中半圆的圆心与图3中月球的球心M用螺丝固定。

5.底座制作
用三合板、木条制成与面板相同规格的底座，用角铝组装面板和底座，并固定。

三、“月相变化规律演示仪”的教学应用
“月相变化规律演示仪”不仅能反映月相的形成原因，还能揭示月相变化的规律，如月升和月落的时刻，夜晚可以看见月相的时段，月球的位置，以及月球东西两侧的明暗情况等。

1.演示日、地、月三者的位置变化
逆时针移动月球球心M到需要演示的位置（或时间），移动时要注意保持滑竿与太阳光线垂直（可以通过滑竿的两个端点在滑槽的相应刻度来实现）。

教具直观地显示了不同时间日、地、月三者位置关系的变化，以及月球昼夜半球的形成，还可以看到因月球自转与公转同步而产生的永远不变的可视半球与不可视半球。

2.演示月相的形成
观察月球，它的可视昼半球表示了地球上可以看到的月球白昼的面积，代表了月相的变化：白色部分如果占月球圆面积的一半，表示地球上的人可以看到月球球体表面的一半面积，月球的视形状即为一轮圆月，此时为满月；白色部分如果占四分之一，表示地球上的人看到月球球体表面的1/4面积，月球的视形状为半圆，此时为弦月；同理类推，白色部分如果少于四分之一，则为蛾眉月；如果大于四分之一而又小于二分之一，此时为凸月；如果白色部分面积为零，意味着月球的可视半球与夜半球重合，地球上的人看不到月亮，此时为新月。

3.演示月升、月落时间及可视时间
利用月球公转轴的横条，可以观察月升、月落、月上中天的大致时刻，再结合地球的日出和日落时刻，就可以大致推断出夜晚月相可视时间和具体的日出、日落时刻，使用者可根据当地昼夜长短的变化进行调整。

例如，上弦月时，月出正午，月落子夜，结合地球昼夜状况，月相可观察的时间大致从日落开始，到子夜结束。

4.演示月球朝向
月球公转轴上的红色箭头代表月球的公转方向（自西向东），箭头的起始端为西，末端为东，根据月球可视昼半球处在红色箭头的哪一端，可以确定月球是东边亮还是西边亮。

例如，上弦月时，月球的可视昼半球在西端，说明月球是西边亮、东边暗，而下弦月时，可视昼半球处在东端，说明月球是东边亮、西边暗。

5.归纳月相变化规律
见表1
月相与太阳的角距离与太阳出没的比较月出中天月没夜晚可见月亮时间亮面朝向新月0°日、月同升同落清晨正午黄昏整夜看不见全暗上蛾眉月锐角月迟升迟落上午下午上半夜黄昏可见西边上弦月东90°月迟升迟落正午黄昏子夜上半夜可见西边上凸月钝角月迟升迟落下午上半夜下半夜黄昏——下半夜西边
满月180°月升日落
月落日升
黄昏半夜清晨整夜可见全亮
下凸月钝角月早升早落上半夜下半夜上午上半夜——黎明东边下弦月西90°月早升早落子夜清晨正午下半夜可见东边下蛾眉月锐角月早升早落下半夜上午下午清晨可见东边
表1 月相变化规律表
四、“月相变化规律演示仪”的创新特色
月相仪是中小学地理（科学）教师自制教具的重要课题之一，传统的月相仪主要是用来演示月球视形状的演变，即月球的盈亏现象。

与传统的月相仪相比，“月相变化规律演示仪”具有一定的创新特色，表现在：
1.教具平面化
传统的月相仪用一个球体模型涂上颜料代表月球，制作的教具体积较大，不方便携带。

“月相变化规律演示仪”用圆形的有机板来表示月球，而“地球”和“太阳”只需在平板上绘制图形和箭头表示，所以制作的教具具有“平面化”特点，方便携带和使用。

2.以静示动
月球运动的一大特点是其自转与公转同步，即月球的自转角速度和公转的角速度是相同的。

由于月球的同步自转，使得地球上的人们只能看到月球永远不变的“半张脸”。

“月相变化规律演示仪”将表示月球的“圆”与月球公转轴相连，当月球公转时，“可视半球”与“不可视半球”总是保持不变，达到了月球自转与公转同步的视觉效果，实现了以静示动的目的。

3.化繁为简
传统的月相仪只能演示月相的变化，而“月相变化规律演示仪”则实现了多功能化。

首先是以“可视昼半球”的面积变化来反映月相形状的变化，符合高中学生的认知特点，有助于培养学生的抽象思维能力；其次，设计“T”形有机板的横条作为推断月出、月落的时刻尺。

教科书上解释说，朔望月的周期是29.5306日，月球的黄经与太阳黄经相比每日增大约12°（360°/29.5306），因此月出、月落时刻比前一日推迟约50分钟，这样专业的解释对于中学生而言是晦涩难懂的，而用“月出、月落时刻尺”则一目了然，“月出、月落时刻尺”随月球公转位置变化而转动，结合地球的地方时刻，即可大致读出不同月相的月出、月没时刻；再次，在月球公转轴上标注红色箭头，代表月球公转的方向，由于月球公转的方向是自西向东，公转轴将“月球”分成东西两半，可视昼半球所在的一半，就代表月球亮面的朝向，由此可以判断月亮是东边亮还是西边亮。

如果结合月球东升西落和中天在南方天空的特点，还可以粗略估计不同时刻月球的空中位置。

“月相变化规律演示仪”设计新颖，从另一个全新的角度深刻揭示了月相的变化规律。

作为教具的使用，它轻松地帮助了教师突破本节教学的各个难点，有利于启发学生的思维；作为学具的使用，它有效地帮助学生构建了日、地、月运动的空间概念，提高了实际动手能力，培养了学生动手分析、实践探究和抽象思维的能力。

参考文献：
教育部教学仪器研究所.第七届全国自制教具获奖项目汇编[M].北京:教育科学出版社,2012.。