Đề tài Vận dụng hệ quả chuyển động xung quanh mặt trời của trái đất để tính góc chiếu sáng, ngày mặt trời lên thiên đỉnh ở một điểm

VẬN DỤNG HỆ QUẢ CHUYỂN ĐỘNG XUNG QUANH MẶT TRỜI CỦA TRÁI ĐẤT ĐỂ TÍNH GÓC CHIẾU SÁNG,
 NGÀY MẶT TRỜI LÊN THIÊN ĐỈNH Ở MỘT ĐIỂM
-------------------&--------------------
I. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI
 Qua thực tế giảng dạy địa lí lớp 10, dạy bồi dưỡng học sinh giỏi môn địa lí lớp 12, và các kì chấm thi học sinh giỏi tỉnh lớp12, nhiều học sinh không làm được những bài tập về tính góc nhập xạ, tính ngày Mặt Trời lên thiên đỉnh tại một địa điểm,.......hoặc làm được một phần nhưng vì không tự tin nên hay nhầm lẫn, thiếu sót. 
 Vì sao học sinh không tự tin khi tính góc nhập xạ, xác định vĩ độ của một địa điểm khi biết góc nhập xạ của điểm ấy, tính ngày Mặt Trời lên thiên đỉnh tại một địa điểm? Theo tôi nguyên nhân chủ yếu là:
Có nhiều kiến thức địa lí học sinh biết nhưng hiểu chưa sâu như góc nhập xạ, việc xác định góc nhập xạ của một điểm, mặt phẳng xích đạo, các đường vĩ tuyến đặc biệt trên bề mặt Trái Đất được gọi là chí tuyến Bắc, chí tuyến Nam, vòng cực Bắc, Vòng cực Nam, 
Học sinh chưa hiểu rõ ràng về quĩ đạo chuyển động quanh Mặt Trời của Trái Đất trong năm, về mối quan hệ giữa dạng hình cầu, hướng nghiêng và độ nghiêng của trục Trái đất không đổi trong suốt quá trình chuyển động quanh Mặt Trời đã tạo ra 4 vị trí đặc biệt trên quĩ đạo chuyển động quanh Mặt Trời của Trái Đất trong năm. 
Để hiểu kĩ nội dung này đòi hỏi các em phải có sự tư duy, tưởng tượng, biết vận dụng kiến thức hình học để giải thích, tính toán.
Thời gian phân phối cho nội dung học không nhiều nhưng các dạng bài tập vận dụng kĩ năng này rất đa dạng, đòi hỏi khả năng tư duy cao. 
Học sinh vẫn cho rằng đối với học Địa lí chỉ học thuộc lòng, vì vậy kiến thức không sâu, không hiểu rõ vấn đề. Địa lí vẫn bị coi là môn “phụ”. 
 Với những lí do trên mà nhiều học sinh dù rất thuộc bài nhưng lại không làm được các bài tập phải tính toán có liên quan đến vận dụng các hệ quả chuyển động của Trái Đất
 Xuất phát từ thực tế trên, trong quá trình giảng dạy tôi đã tìm hiểu, tham khảo các tài liệu hướng dẫn giảng dạy, tài liệu bồi dưỡng học sinh giỏi môn Địa lí, để rút kinh nghiệm, tìm cách hướng dẫn để học sinh hiểu bài rõ hơn. Qua đó tôi mong muốn các Thầy Cô đồng nghiệp góp ý, bổ sung thêm những kinh nghiệm để nâng cao hiệu quả dạy và học Địa lí trong trường học. 
II. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
Mục đích chính của đề tài là chỉ ra những nội dung mà giáo viên cần nhấn mạnh để giúp học sinh hiểu kĩ hơn về chuyển động của Trái Đất, từ đó từng bước nâng cao hiệu quả dạy và học Địa lí trong trường học, hiệu quả làm bài trong kì thi học sinh giỏi cấp tỉnh môn Địa lí.
Nêu phương pháp để tính góc nhập xạ, tính ngày Mặt Trời lên thiên đỉnh tại một địa điểm.
Đưa ra một số bài tập minh họa cụ thể. 
III. NỘI DUNG ĐỀ TÀI
 1. TÍNH GÓC CHIẾU SÁNG CỦA TIA SÁNG MẶT TRỜI TẠI MỘT ĐIỂM 
 1.1 Những kiến thức cơ bản cần nắm được để hiểu và tính góc chiếu sáng
Góc chiếu sáng của tia sáng Mặt Trời lúc 12 giờ trưa (còn gọi là góc nhập xạ, hay góc tới) là góc hợp bởi tia sáng Mặt Trời và tiếp tuyến với bề mặt đất tại điểm đó. Góc chiếu sáng là góc biểu thị độ cao của Mặt Trời so với Trái Đất.
Vì Trái Đất cách rất xa Mặt Trời nên tia sáng Mặt Trời chiếu đến bề mặt Trái Đất được coi là các tia song song.
Vì Trái Đất có dạng hình cầu nên góc chiếu sáng của tia sáng Mặt Trời xuống bề mặt Trái Đất có độ lớn khác nhau ở các vĩ tuyến khác nhau cùng trong một thời điểm. Vào lúc 12 giờ trưa, chỉ có một vĩ tuyến có góc chiếu sáng = 900, còn ở các vĩ tuyến khác có góc chiếu sáng < 900 .
Tia sáng Mặt Trời lúc 12 giờ chỉ chiếu thẳng góc với tiếp tuyến ở bề mặt đất tại các vĩ tuyến dao động từ 23027’B đến 23027’N.
Phải nhớ các vĩ tuyến đặc biệt có trị số góc nhập xạ lúc 12 giờ trưa là 900:
+ Vĩ tuyến 00 (xích đạo) vào ngày xuân phân (21/3) và ngày thu phân (23/9)
+ Vĩ tuyến 23027’B (chí tuyến Bắc) vào ngày hạ chí (22/6)
+ Vĩ tuyến 23027’N (chí tuyến Nam) vào ngày đông chí (22/12)
Trục Trái Đất nghiêng và không đổi phương trong khi chuyển động xung quanh Mặt Trời, nên Trái Đất có lúc chúc nủa cầu Bắc, có lúc ngả bán cầu Nam về phía Mặt Trời, cụ thể như sau: 
+ Từ sau ngày 21/3 đến đến trước ngày 23/9 bán cầu Bắc chúc về phía Mặt Trời, ở bán cầu Nam thì ngược lại, xa Mặt Trời.
+ Từ sau ngày 23/9 đến trước ngày 21/3 bán cầu Nam ngả về phía Mặt Trời, ở bán cầu Bắc thì ngược lại, xa Mặt Trời.
+ Ngày 21/3 và 23/9 không có bán cầu nào ngả về phía Mặt Trời.
- Tia sáng Mặt Trời lúc 12 giờ chiếu thẳng góc ở điểm nào thì vĩ độ của điểm đó là góc nghiêng của tia sáng Mặt Trời với mặt phẳng xích đạo, dao động từ 00 đến 23027’B, từ 00 đến 23027’N
1.2. Cách tính góc nhập xạ của một điểm ở một thời điểm
a) Cách 1: 
 Dựa vào các tính chất của hình học (góc đồng vị, góc có cạnh tương ứng song song) để tính toán. 
Bước 1: kẻ tiếp tuyến với bề mặt đất tại địa điểm cần tính góc nhập xạ
Bước 2: xác định góc nhập xạ của điểm đó
Bước 3: xác định góc nghiêng của tia sáng Mặt Trời với mặt phẳng xích đạo
Bước 4: dựa vào tính chất của hình học để tính toán
Ví dụ: Giả sử ngày 8/6/2011 Mặt Trời lên thiên đỉnh tại điểm A (200B). Vào ngày đó, góc nhập xạ ở điểm B (450B), điểm C (50B) và điểm D (300N) là bao nhiêu?
Giải:
Tính góc nhập xạ của điểm B (450B)
Kẻ tiếp tuyến tại điểm B. Ta có ÐB2 là góc nhập xạ của điểm B
Mặt Trời lên thiên đỉnh tại điểm A (200B) nên góc nghiêng của tia sáng Mặt Trời với mặt phẳng xích đạo ÐAOX = 200
Điểm B (450B) ==> ÐBOX = 450
Theo hình vẽ ta có ÐB2 = 900 – ÐB1. 
 Mà ÐB1 = ÐO1 (2 góc đồng vị), ÐO1 = ÐBOX – ÐAOX 
ÐB2 = 900 – (ÐBOX – ÐAOX) 
ÐB2 = 900 – ÐBOX + ÐAOX = 900 – 450 + 200 = 650
Vậy góc nhập xạ của điểm B (450B) vào ngày 8/6/2011 là 650
Tính góc nhập xạ của điểm C (50B)
Tương tự như trên, ta có ÐC2 là góc nhập xạ của điểm C
Theo hình vẽ ta có ÐC2 = 900 – ÐC1. 
Mà ÐC1 = ÐO1 (2 góc đồng vị), ÐO1 = ÐAOX – ÐCOX 
ÐC2 = 900 – (ÐAOX – ÐCOX) 
ÐB2 = 900 – ÐAOX + ÐCOX = 900 – 200 + 50 = 750
Vậy góc nhập xạ của điểm C (50B) vào ngày 8/6/2011 là 750
Tính góc nhập xạ của điểm D (300N)
Tương tự như trên, ta có ÐD1 là góc nhập xạ của điểm D
Theo hình vẽ ta có ÐD1 = 900 – ÐD2. 
 Mà ÐD2 = ÐAOD (2 góc đồng vị), ÐAOD = ÐAOX + ÐXOD 
ÐD1 = 900 – (ÐAOX + ÐXOD) 
ÐB2 = 900 – ÐAOX – ÐXOD = 900 – 200 – 300 = 400
Vậy góc nhập xạ của điểm D (300N) vào ngày 8/6/2011 là 400
Hình vẽ tổng hợp vị trí góc nhập xạ của cả 3 địa điểm trong một thời điểm
b) Cách 2: Dựa trên cách tính toán của cách 1, ta có thể áp dụng công thức sau:
Công thức khái quát: 
 h = 900 – φ ± α 
Trong đó h: góc nhập xạ;
 φ: vĩ độ của điểm cần tính;
 α: góc nghiêng của tia sáng Mặt Trời với mặt phẳng xích đạo
Từ công thức khái quát trên, ta tính được φ nếu biết h và α, tính được α nếu biết φ và h
Điểm cần tính ở bán cầu chúc về phía Mặt Trời:
- Nếu φ > α thì h = 900 – φ + α 
- Nếu φ < α thì h = 900 + φ – α 
Điểm cần tính ở bán cầu xa Mặt Trời
 h = 900 – φ – α 
1.3. Một số ví dụ minh họa
Ví dụ 1:
Tính góc nhập xạ ở thành phố Hồ Chí Minh (10047’B) vào các ngày 21/3, 22/6, 23/9, 22/12
Giải: 
Ngày 21/3 và ngày 23/9, Mặt Trời lên thiên đỉnh tại xích đạo nên góc nghiêng của tia sáng Mặt Trời với mặt phẳng xích đạo α = 0, ta có công thức: 
 h = 900 – φ 
 h = 900 – 10047’ = 790 13’ 
Ngày 22/6 Mặt Trời lên thiên đỉnh tại chí tuyến bắc, nên góc nghiêng của tia sáng Mặt Trời với mặt phẳng xích đạo α =23027’, bán cầu Bắc chúc về phía Mặt Trời. Vì thành phố Hồ Chí Minh nằm trong vùng nội chí tuyến Bắc(φ < α), ta có công thức:
 h = 900 + φ – α
 h = 900 + 10047’ – 23027’ = 77020’
Ngày 22/12 Mặt Trời lên thiên đỉnh tại chí tuyến nam, nên góc nghiêng của tia sáng Mặt Trời với mặt phẳng xích đạo α =23027’, bán cầu Bắc xa Mặt Trời nên ta có công thức:
 h = 900 – φ – α
 h = 900 – 10047’ – 23027’ = 55046’
 Kết quả:
Ngày
21/3
22/6
23/9
22/12
Góc nhập xạ
790 13’
77020’
790 13’
55046’
Lưu ý: Giáo viên nên hướng dẫn học sinh biết cả hai cách làm để hiểu bài hơn, đồng thời tự kiểm tra kết quả.
Ví dụ 2: (đề thi HSG cấp tỉnh môn Địa lí lớp 12 năm 2010-2011)
Giả sử ngày 27/5/2011 Mặt Trời lên thiên đỉnh tại thành phố Hồ Chí Minh (10047’B).
Tính góc nhập xạ tại Hà Nội (21002’B) và Cà Mau (8034’B) vào ngày ấy.
Tính vĩ độ địa lí của nơi có góc ngập xạ 65015’ vào ngày 27/5/2011
Giải:
a) Tính góc nhập xạ tại Hà Nội (21002’B) và Cà Mau (8034’B) vào ngày 27/5
Ngày 27/5, bán cầu Bắc chúc về phía Mặt Trời, góc nghiêng của tia sáng Mặt Trời với mặt phẳng xích đạo α = 10047’
 Hà Nội và Cà Mau nằm ở bán cầu Bắc. 
Vì vĩ độ ở Hà Nội lớn hơn thành phố Hồ Chí Minh (φ > α) nên ta có công thức:
 hHN = 900 – φ + α 
 hHN = 900 – 21002’ + 10047’ = 79045’ 
Vì vĩ độ ở Cà Mau nhỏ hơn thành phố Hồ Chí Minh (φ < α) nên ta có công thức:
hCM = 900 + φ – α 
hCM = 900 + 8034’ – 10047’ = 87047’ 
Tính vĩ độ địa lí của nơi có góc nhập xạ là 65015’ vào ngày 27/5/2011
 (Từ công thức khái quát trên, ta tính được φ khi biết h và α)
Vào ngày 27/5/2011 Mặt Trời lên thiên đỉnh tại thành phố Hồ Chí Minh (10047’B), cùng lúc ấy có 2 địa điểm có góc nhập xạ là 65015’ 
Trường hợp vĩ độ của điểm cần tính ở phía bắc thành phố Hồ Chí Minh (φ1 > α) 
 Ta có: h = 900 – φ1 + α 
 65015’ = 900 – φ1 + 10047’ 
 ==> φ1 = 900 + 10047’ – 65015’ = 35032’B
Trường hợp vĩ độ của điểm cần tính ở phía nam thành phố Hồ Chí Minh 
 + Nều φ2 ở bán cầu Bắc (φ2 < α) 
Ta có: h = 900 + φ2 – α 
 65015’ = 900 + φ2 – 10047’ 
 ==> φ2 = 65015’ + 10047’ – 900 (loại)
 + Nều φ2 ở bán cầu Nam
Ta có: h = 900 – φ2 – α 
 65015’ = 900 – φ2 – 10047’ 
 ==> φ2 = 900 – 10047’ – 65015’ = 13058’N
Lưu ý: Có thể tính cách khác. Vì Trái đất hình cầu nên φ1 và φ2 đối xứng nhau qua thành phố Hồ Chí Minh (10047’B), khi tính được φ1 thì sẽ tính được φ2 như sau: 
- φ1 cách thành phố Hồ Chí Minh: 35032’ – 10047’ = 24045’
- φ2 = 10047’B – 24045’ = 13058’N
2. TÍNH NGÀY MẶT TRỜI LÊN THIÊN ĐỈNH Ở MỘT ĐIỂM 
2.1. Những kiến thức cơ bản cần nắm được để hiểu và tính ngày Mặt Trời lên thiên đỉnh
Hiện tượng Mặt Trời ở đúng đỉnh đầu lúc 12 giờ trưa (tia sáng Mặt Trời chiếu vuông góc với tiếp tuyến ở bề mặt đất) gọi là Mặt Trời lên thiên đỉnh.
Trong 1 năm, Mặt Trời lên thiên đỉnh lần lượt ở các địa điểm trong khu vực từ chí tuyến Nam (23027’N) đến chí tuyến Bắc (23027’B), cụ thể như sau: 
 22/6
 23/9 21/3 
 22/12
 Đường chuyển động biểu kiến hàng năm của Mặt Trời quanh Trái Đất
Tại hai đường chí tuyến, Mặt Trời lên thiên đỉnh 1 lần: ở chí tuyến Bắc vào ngày 22/6, ở chí tuyến Nam vào ngày 22/12
Tại xích đạo Mặt Trời lên thiên đỉnh 2 lần, lần thứ nhất vào ngày 21/3, lần thứ hai vào ngày 23/9. 
Mặt Trời lên thiên đỉnh lần lượt ở các địa điểm trong khu vực từ xích đạo đến chí tuyến Bắc 2 lần:
 + Lần thứ nhất từ ngày 21/3 đến ngày 22/6
 + Lần thứ hai từ ngày 22/6 đến ngày 23/9 
Mặt Trời lên thiên đỉnh lần lượt ở các địa điểm trong khu vực từ xích đạo đến chí tuyến Nam 2 lần: 
 + Lần thứ nhất từ ngày 22/12 đến ngày 21/3
 + Lần thứ hai từ ngày 23/9 đến ngày 22/12	 
Trong vùng ngoại chí tuyến, không có hiện tượng Mặt Trời lên thiên đỉnh.
 Thời gian Mặt Trời chuyển động biểu kiến trong 1 năm giữa bốn ngày đặc biệt:
Từ chí tuyến Nam (ngày 22/12) lên xích đạo (ngày 21/3) hết 89 ngày 
Từ đến xích đạo (ngày 21/3) lên chí tuyến Bắc (ngày 22/6) hết 93 ngày 
Từ chí tuyến Bắc (ngày 22/6) quay về xích đạo (ngày 23/9) hết 93 ngày 
Từ đến xích đạo (ngày 23/9) xuống chí tuyến Nam (ngày 22/12) hết 90 ngày 
Trong năm, các tháng 1,3,5,7,8,10,12 có 31 ngày, tháng 2 có 28 ngày (năm nhuận có 29 ngày), các tháng còn lại có 30 ngày
2.2. Cách tính ngày Mặt Trời lên thiên đỉnh tại một điểm 
a) Điểm A ở bán /cầu Bắc 
Ngày 21/3 Mặt Trời lên thiên đỉnh tại xích đạo, ngày 22/6 Mặt Trời lên thiên đỉnh tại chí tuyến Bắc (23027’B). Từ ngày 21/3 đến ngày 22/6, Mặt Trời chuyển động biểu kiến từ xích đạo đến tuyến Bắc hết 93 ngày. 
Ta có: Mặt Trời chuyển động biểu kiến được một góc 23027’ mất 93 ngày 
 Vậy Mặt Trời chuyển động biểu kiến được một góc A0 mất N ngày?
 ==> số ngày N = (A0 x 93) : 23027’ 
Mặt Trời lên thiên đỉnh ở điểm A lần thứ nhất vào ngày: Ngày 21/3 + N ngày
Mặt Trời lên thiên đỉnh ở điểm A lần thứ hai vào ngày: Ngày 23/9 – N ngày 
b) Điểm A ở bán cầu Nam
Ngày 23/9 Mặt Trời lên thiên đỉnh tại xích đạo, ngày 22/12 Mặt Trời lên thiên đỉnh tại chí tuyến Nam. Từ ngày 23/9 đến ngày 22/12, Mặt Trời chuyển động biểu kiến từ xích đạo đến tuyến Nam (23027’N) hết 90 ngày. 
Ta có: Mặt Trời chuyển động biểu kiến được một góc 23027’ mất 90 ngày 
Vậy Mặt Trời chuyển động biểu kiến được một góc A0 mất N ngày?
 ==> số ngày N = (A0 x 90) : 23027’ 
 Mặt Trời lên thiên đỉnh ở điểm A lần thứ nhất vào ngày: Ngày 21/3 – N ngày 
 Mặt Trời lên thiên đỉnh ở điểm A lần thứ hai vào ngày: Ngày 23/9 + N ngày
2.3. Ví dụ minh họa
 Tính ngày Mặt Trời lên thiên đỉnh tại Huế (16024’B) 
Giải: 
Hụế nằm trong vùng nội chí tuyến Bắc nên trong năm có 2 lần Mặt Trời lên thiên đỉnh.
Mặt Trời chuyển động biểu kiến từ xích đạo đến tuyến Bắc hết 93 ngày.
Tính số ngày Mặt Trời chuyển động biểu kiến từ xích đạo đến Huế (160 24’B) theo công thức: 
 Số ngày N = (160 24’ x 93) : 23027’= 65 ngày (làm tròn)
Mặt Trời lên thiên đỉnh lần thứ nhất vào ngày: ngày 21/3 + 65 = ngày 25/5
Mặt Trời lên thiên đỉnh lần thứ hai vào ngày: ngày 23/9 – 65 = ngày 20/7 
3. TÍNH VĨ ĐỘ MÀ MẶT TRỜI LÊN THIÊN ĐỈNH VÀO MỘT NGÀY CHO TRƯỚC 
Những kiến thức cơ bản cần nắm (xem phần II)
Cách tính 
Bước 1: xác định vị trí của điểm cần tìm (A) nằm ở vị nào trên đường chuyển động biểu kiến hàng năm của Mặt Trời quanh Trái Đất?
Bước 2: tính khoảng cách từ ngày 21/3 (hoặc từ 23/9) đến ngày cho trước là bao nhiêu ngày (N)?
Bước 3: 
Lập luận: Mặt Trời chuyển động biểu kiến 93 ngày(hoặc 90 ngày) được một góc 23027’. Vậy Mặt Trời chuyển động biểu kiến N ngày được một góc A0 ?
 Vĩ độ A = (N ngày* 23027’): 93 (điểm A ở bán cầu Bắc)
 Vĩ độ A = (N ngày * 23027’): 90 (điểm A ở bán cầu Nam)
3.3.Ví dụ minh họa: 
 Vào ngày 30/4 Mặt Trời sẽ lên thiên đỉnh ở vĩ độ nào?
Giải: 
Vị trí của điểm cần tìm ở bán cầu Bắc
Khoảng cách từ ngày 21/3 đến ngày 30/4 là 40 ngày
Vĩ độ điểm cần tìm = (40 ngày* 23027’): 93 = 1005’B
Vào ngày 30/4 Mặt Trời sẽ lên thiên đỉnh ở vĩ độ 1005’B
IV. KẾT LUẬN
Nhờ áp dụng phương pháp trên vào giảng dạy, học sinh tiếp thu bài tốt hơn, tự tin hơn, nâng cao hiệu quả dạy và học Địa lí trong trường học, hiệu quả làm bài trong kì thi học sinh giỏi cấp tỉnh môn Địa lí.
Tôi mong muốn các Thầy Cô đồng nghiệp góp ý, bổ sung thêm những kinh nghiệm để nâng cao hiệu quả dạy và học Địa lí trong trường học
V. TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu bồi dưỡng học sinh giỏi môn Địa lí.
Tài liệu bồi dưỡng giáo viên dạy SGK Địa lí 10 , NXBGD năm 2006
Sách giáo viên địa lí nâng cao lớp 10, NXB Giáo dục, năm 2009
Thiết kế bài giảng đia lí nâng cao lớp 10 của Vũ Quốc Lịch – Phạm Ngọc Yến, NXB Đại học sư phạm, năm 2006
 	NGƯỜI THỰC HIỆN	
PHAN THỊ THANH HƯƠNG