第二節(jié) 地理坐標(biāo)

關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)：經(jīng)緯度；地心經(jīng)緯度；大地經(jīng)緯度；天文經(jīng)緯度；子午面

你能告訴我麥哲倫環(huán)繞地球航行一周，經(jīng)過的馬六甲海峽、好望角分別在地球上的什么位置嗎？你能告訴我絲綢之路是什么樣的路線？“一帶一路”又是怎樣的路線呢？對(duì)這些問題，我們都可借助于地球儀、地圖等工具查找相關(guān)線路，得到答案。

科學(xué)事實(shí)與教學(xué)問題

到電影院看電影，拿著一張電影票，很快就能找到自己的座位。因?yàn)殡娪霸簩?duì)一排排的座位進(jìn)行編號(hào)，既有縱向的有序排列，又有橫向的有序排列，就像數(shù)學(xué)中的坐標(biāo)系統(tǒng)一樣，有橫坐標(biāo)（橫排）與縱坐標(biāo)（縱列），所以一個(gè)座位有兩個(gè)序數(shù)，有助于你找到每個(gè)位置。要在地球表面找到一個(gè)點(diǎn)，也需要像電影院那樣的坐標(biāo)系統(tǒng)。當(dāng)然，地球本身是沒有網(wǎng)格線的，但是大多數(shù)的地圖和地球儀都有網(wǎng)格。

那么如何確定地理坐標(biāo)？地理坐標(biāo)就是經(jīng)緯網(wǎng)嗎？

科學(xué)模型

地理坐標(biāo)——經(jīng)緯網(wǎng) 地理坐標(biāo)是用經(jīng)度、緯度表示地面點(diǎn)位置的球面坐標(biāo)。在地球儀上，連接南、北兩極并垂直于緯線的線，叫經(jīng)線，也叫子午線。經(jīng)線指示南北方向。與經(jīng)線垂直的線，叫緯線。緯線是長(zhǎng)度不等的圓圈，其中最長(zhǎng)的是赤道。

規(guī)定赤道為0°，向北、南兩極各以90°計(jì)算，向北稱北緯，向南稱南緯。以起始經(jīng)線為0°，國(guó)際上統(tǒng)一規(guī)定以通過英國(guó)倫敦格林尼治天文臺(tái)的經(jīng)線為起始經(jīng)線，向東、西各以180°計(jì)算，向東稱東經(jīng)，向西稱西經(jīng)。這樣就可以確定地區(qū)或地面點(diǎn)的地理位置。如圖2-2-1所示。

任意兩條相對(duì)的經(jīng)線都組成一個(gè)經(jīng)線圈；任意一個(gè)經(jīng)線圈，都可以把地球分成兩個(gè)半球。在地球儀上，經(jīng)線和緯線相互交織，形成經(jīng)緯網(wǎng)。地球表面任一地點(diǎn)的經(jīng)緯度位置，就是某條經(jīng)線和某條緯線的交點(diǎn)。經(jīng)緯網(wǎng)定位在航海、航空、交通、軍事以及氣象觀測(cè)等許多方面都有廣泛的用途。

模型解釋

緯度和經(jīng)度的確定 地球雖非嚴(yán)格的正球體，但一般教學(xué)中可以把地球視為正球體。地理坐標(biāo)包括地理緯度和地理經(jīng)度，分別用φ和λ表示。這種做法在科學(xué)上稱之為理想化方法，日常使用中對(duì)精確度的要求不是很高的話，也就采用這種經(jīng)緯度表示方法。

如圖2-2-2所示，通過地心且垂直于地軸的平面，叫赤道面。赤道面與地球表面相交的大圓圈叫赤道。地球上某一點(diǎn)P的緯度，就是P點(diǎn)的重力方向的鉛垂線與赤道面的夾角φ。這個(gè)夾角φ，自赤道到南北兩極，緯度從0°至90°。地理緯度有南北之分：從赤道向北度量，稱北緯（記為“N”），范圍為0°N～90°N；反之，南半球緯度稱南緯（記為“S”），范圍為0°S～90°S。由于赤道面垂直于地軸，而所有緯線都與赤道相平行，所以任何一條緯線都代表地球上的東西方向。

當(dāng)?shù)厍虿荒鼙豢醋髡蝮w時(shí)，地理坐標(biāo)不再是地球表面的球面坐標(biāo)。這時(shí)，表達(dá)地表點(diǎn)地理位置的經(jīng)緯度，一般說有三種。第一種叫地心經(jīng)緯度。這種經(jīng)緯度依據(jù)地點(diǎn)與地心（或地球橢球中心）的連線——半徑r——的方向來定義。第二種稱為大地經(jīng)緯度。它是參考與橢球體表面垂直的法線——垂直線來定義經(jīng)緯度的。第三種是天文經(jīng)緯度。它是借重力方向或鉛垂線空間方向來定義經(jīng)緯度的。這三種經(jīng)緯度不僅測(cè)算方法不同，意義、用途也不同。在高精度的天文學(xué)家和大地測(cè)量學(xué)家看來，這三種經(jīng)緯度是必須嚴(yán)格區(qū)分的。

地理坐標(biāo)系以地軸為極軸，所有通過地球南北極的平面，均稱為子午面。0°經(jīng)線也叫本初子午線。由地球表面上任一點(diǎn)P，引一垂直于點(diǎn)P地平線的直線，其與赤道面相交所構(gòu)成的夾角稱地理緯度。P點(diǎn)經(jīng)線面與起始經(jīng)線面間的夾角稱為地理經(jīng)度。

從本初子午線向東，即從北極上空看逆時(shí)針度量時(shí)，稱東經(jīng)，記為“E”，取值0° E～180°E；向西度量時(shí)，稱西經(jīng)，記為“W”，取值0°W～180°W。如圖2-2-3所示。

赤道和本初子午線這兩條線是組成網(wǎng)格的最重要的兩條線，它們是測(cè)量地表距離的基線。

模型應(yīng)用

根據(jù)經(jīng)緯度判斷半球位置：

（1）根據(jù)緯度判斷南北半球：北緯就在北半球，南緯就在南半球。北極點(diǎn)在北緯90°，南極點(diǎn)在南緯90°。

（2）根據(jù)經(jīng)度判斷東西半球：西經(jīng)20°至東經(jīng)160°在東半球，東經(jīng)160°至180°、西經(jīng)20°至180°在西半球。如圖2-2-4所示。

實(shí)驗(yàn)活動(dòng)2-2-1

簡(jiǎn)易測(cè)定地理坐標(biāo)

● 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

了解經(jīng)、緯度的測(cè)定原理，學(xué)會(huì)利用簡(jiǎn)易方法測(cè)定經(jīng)、緯度。

● 實(shí)驗(yàn)器材

經(jīng)緯儀、標(biāo)桿、皮尺、手電筒、天文年歷、記錄本、鐘表等。

● 實(shí)驗(yàn)原理

利用立桿測(cè)影法測(cè)定經(jīng)、緯度。

（1）利用北極星高度測(cè)定緯度。北極星的地平高度，就是測(cè)量所在地（稱為測(cè)地）的緯度。北極星在天極附近，天極的高度（hp）等于測(cè)地的緯度（φ），即hp=φ。

（2）根據(jù)正午太陽(yáng)高度公式H=90°-|φ±δ|，先測(cè)出正午太陽(yáng)高度，然后代入上式算出當(dāng)?shù)鼐暥取Ｊ街?span id="uunliop" class="italic">δ為太陽(yáng)赤緯，可從天文年歷中查得。φ、δ取正值，絕對(duì)式中“同減異加”，即被測(cè)地與太陽(yáng)直射點(diǎn)在同一半球時(shí)兩角相減，在不同半球時(shí)兩角相加。

根據(jù)同一瞬間兩地的地方時(shí)之差的關(guān)系，只要知道了一地的經(jīng)度和地方時(shí)，再測(cè)出另一地同一瞬間的地方時(shí)，就可算出當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度。現(xiàn)以被測(cè)地與太陽(yáng)直射點(diǎn)在同一半球?yàn)槔M(jìn)行計(jì)算。

設(shè)觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)度和地方時(shí)分別為λ和m，當(dāng)時(shí)的北京時(shí)間（120°E的地方平時(shí)）為T8，則有：

120°-λ=T8-m

λ=120°+m-T8

在正午，即垂直桿日影過南北線時(shí)，當(dāng)?shù)卣嫣?yáng)時(shí)為12h，則當(dāng)?shù)仄綍r(shí)m=12h-η（時(shí)差）。所以，只要觀測(cè)記錄垂直桿過南北線時(shí)的北京時(shí)間T8，即可求得當(dāng)?shù)亟?jīng)度λ：

λ=120°+12h-η-T8

=20h-η-T8

式中，T8為垂直桿日影過南北線時(shí)的鐘面時(shí)刻（為經(jīng)校正后的準(zhǔn)確的北京時(shí)間）, η為當(dāng)日時(shí)差，可從天文年歷中查取。

● 實(shí)驗(yàn)步驟

1．測(cè)定北極星高度定緯度

用簡(jiǎn)易測(cè)高儀測(cè)定北極星高度。測(cè)高儀的高度計(jì)，實(shí)際上是一個(gè)半圓形量角器。圓心拴一條小線，線下拴一錘球做成鉛垂線，如圖2-2-5所示。測(cè)量時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)量角器，使眼睛、量角器的直邊和北極星在一條直線上，顯然，鉛垂線與量角器直邊垂線的夾角，就等于北極星的高度hp，亦即測(cè)站緯度的近似值。

2．利用立桿測(cè)影法測(cè)定經(jīng)、緯度

用立桿測(cè)影法測(cè)定太陽(yáng)上中天（正午）時(shí)的北京時(shí)間和高度，可同時(shí)求得測(cè)站的經(jīng)度（λ）和緯度（φ）。測(cè)定方法如下。

（1）將標(biāo)桿垂直立于測(cè)站子午線上。

（2）當(dāng)標(biāo)桿陰影恰好與子午線重合時(shí)，立即在子午線上記下陰影頂端的位置，與此同時(shí)，記下鐘面時(shí)刻T8。

（3）分別測(cè)出標(biāo)桿長(zhǎng)a和標(biāo)桿陰影長(zhǎng)b（見圖2-2-6）。由此可算出正午太陽(yáng)高度H：

tanH=a/b

（4）根據(jù)上述正午太陽(yáng)高度公式，即可求得當(dāng)?shù)鼐暥龋?/p>

根據(jù)λ=20h-T8-η，代人上述（2）記下的T8，便可求得當(dāng)?shù)亟?jīng)度λ。