核心概念
天文学
太阳
光
季节
地球轨道
介绍
你是否曾在某个地方居住过，在那里你可以体验到四季的全部辉煌？如果是这样，你一定很熟悉春季盛开的鲜花和戏剧性的天空；夏季漫长、阳光普照的日子；秋季树木摇曳着深红色和金色的叶子；以及冬季闪闪发光的雪景。但是你知道为什么我们会一遍又一遍地经历这些季节，循环往复，就像日出和日落一样可预测吗？这实际上与地球的倾斜有关。在这个科学活动中，你将研究这种倾斜如何影响太阳光线照射我们地球的方式并创造季节。
背景
在地球的北半球，夏季炎热，阳光强烈，时间长；而冬季寒冷，因为白天时间缩短，阳光微弱。这是为什么呢？一个重要的原因是地球的自转轴是倾斜的。为了形象化这个轴，想象一根假想的棍子从地球的北极穿到南极。地球每24小时绕这个轴自转一周。在这样自转的同时，我们的地球也围绕太阳在一个大的轨道上运行，大约365天完成这个环线。
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然而，当地球绕太阳运行时，这个轴并不是完全垂直的。相反，它倾斜约 23 度，并且保持固定，始终在太空中沿同一方向对齐。这种倾斜改变了阳光在地球的年度轨道中照射到给定位置的方式。当北半球是夏季时，轴的顶部（北极）更多地指向太阳，太阳光线更直接地照射到北半球（北美洲、欧洲和亚洲以及非洲和南美洲北部的大陆位于这里）；与此同时，在南半球（南极洲、澳大利亚、南美洲大部分地区和非洲南部三分之一地区），那里是冬季，轴的南极末端背对太阳倾斜，太阳光线倾斜地照射到地球的另一半。
材料
小纸板箱、脚凳、砖块或大块木头
手电筒
美纹纸胶带
大而硬的书或砧板
一张纸
笔或铅笔
助手（可选）
准备工作
如果您使用纸板箱，请用胶带将其密封。
将密封的纸板箱、脚凳和砖块或木块放在桌子或地板上。
将手电筒侧放，放在纸板箱（或其他物体）的顶部。将手电筒的发光端与纸板箱的边缘对齐。用美纹纸胶带将手电筒固定住，使其不会滚动。手电筒将代表太阳。
将一张纸用胶带粘在书（或砧板）上，使纸张足够硬以倾斜，并且您可以在上面绘画。这张纸将代表地球表面的一部分。
步骤
将书（贴有纸张）垂直放在手电筒前面，并前后移动书本，直到纸上的光线形成一个中等大小、清晰的圆形，直径约为两到三英寸。确保纸张上至少有两英寸高于照射在纸上的光圈的顶部。如果需要，抬高纸张（通过将其更高地粘贴在书本上）和/或降低手电筒（通过将其粘贴到较短的纸板箱等上）。
当您垂直于手电筒前方握住书本（或让助手为您握住）时，观察照射在纸上的光线。纸上的光线有多亮？使用笔或铅笔，沿着纸上光线的轮廓画线。
在不改变书本和手电筒之间距离的情况下，将书本向后倾斜，使其远离手电筒约 45 度。换句话说，书本应大致与地板或桌面形成 45 度角。纸张上的光线发生了什么变化？现在纸张上的光线有多亮？再次，沿着纸上光线的轮廓画线。提示：如果轮廓的顶部超出纸张的顶部，您可以稍微将书本向手电筒方向倾斜，直到整个轮廓都适合在纸张上。
如果您愿意，可以尝试在垂直位置和 45 度角位置之间来回移动书本几次。确保不要改变书本和手电筒之间的实际距离。当您改变纸张的倾斜角度时，纸张上的光线如何变化？
关闭手电筒并查看您的纸张。当书本倾斜 45 度时，轮廓如何变化？这与光强度的变化有何关联？您认为哪个倾斜度最类似于北美洲在夏季经历的光照？冬季又如何呢？
额外内容： 使用更大的角度范围（例如 20、30、40 度等）重复此活动。当您倾斜书本时，您需要使用量角器在书本底部进行操作。当您增加书本的角度时，光线轮廓如何变化？
额外内容： 尝试重复此活动，但不要使用空白纸张，而是使用方格纸。（您可以从免费的方格纸网站打印，例如 Incompetech.com，或者您可以使用尺子、笔或铅笔和两张纸自己绘制方格纸。）当您完成绘制轮廓后，您可以计算当书本未倾斜时与倾斜 45 度时被光线填充的方格数量。使用这些数字，这两个轮廓在尺寸上有多大差异？
额外内容： 您可以使用照度计重复此活动，这将使您能够量化您的亮度观察结果。在一个角度下纸张上的光线比另一个角度下的光线亮多少？
观察和结果
当书本垂直于手电筒前方时，纸张上的光线是否比书本以 45 度角远离手电筒时亮得多？当书本向后倾斜远离手电筒时，轮廓是否变得更大和拉长？
在这个活动中，您应该看到，当手电筒照射到直接放在其前方的纸张上时，光线形成了一个清晰、明亮的圆形。当书本向后倾斜 45 度远离手电筒时，它应该形成一个椭圆形，这个椭圆形要暗得多，也大得多（几乎是第一个轮廓的两倍大）。当书本向后倾斜远离手电筒时，照射到纸张表面的光线变得更加倾斜。倾斜的光线较弱，因为它们覆盖的面积更大，并且比直射光线加热空气和表面的程度更小。地球和太阳的情况也是如此。当地球的北极朝向太阳倾斜时，直射光线使阳光更强，因此北美洲更温暖——导致夏季——相比之下，当北极背对太阳倾斜时。在那种情况下，北美洲获得较少的直射光线和更多的倾斜光线，导致天气更冷——我们所知的冬季。地球的中间，即赤道，永远不会离太阳倾斜太远，这就是为什么大多数靠近赤道的地方，如佛罗里达州，季节的变化更多地体现在温度变化上，而不是像明尼阿波利斯这样远离赤道的地方。
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此活动由 科学伙伴合作推出