赏星辰运动轨迹图，探地理知识之奥秘

黄本涛

（巴东县第一高级中学，湖北  恩施  444300）

摘要：从最初在教材中以插图形式出现，到在高考试题中作为命题背景材料呈现，星辰运动轨迹图越来越受到高中地理教师的关注。本文梳理总结了星辰运动轨迹图中所蕴含的地理知识，并将北极星附近和天南极附近的星辰运动轨迹图的图像判读技巧做了分析比较，对教师教学和学生解答相关问题具有一定的指导意义。

关键词：星辰运动轨迹；北极星；天南极；地球自转

在晴朗的夜晚，把照相机固定好，对准北方或南方的天空，通过长时间曝光就能拍摄到北极点或天南极（南极点上空）附近的星辰运动轨迹图。星辰运动轨迹图最初为广大高中地理老师所熟知，是源于高中地理人教2003课标版教材必修一第一章第三节中的一幅插图——“图1.14 北极星附近星辰运动轨迹”（第13页）。教材中引用此插图的目的主要是为了证明地球的自转运动。此后，在2013年天津高考文综卷中，地理选择题第8、9题又以“北极星附近恒星视运动轨迹图”为切入点，让学生据图判断摄影师拍摄地点的纬度位置，以及根据某一颗恒星在其视运动轨迹上转过的角度判断摄影师连续拍摄的时间，星辰运动轨迹图再一次成为高中地理老师热议的焦点。

因此，在教学过程中我们有必要对蕴藏在“北极星附近星辰运动轨迹”图中的地理知识来进行适当的挖掘和梳理；同时，我们也要将其与“天南极附近的星辰运动轨迹”图（将相机对准南方的天空拍摄的星辰运动轨迹图）中所蕴含的地理知识的差异进行适当的比较和分析。在星辰运动轨迹图中蕴藏的地理知识主要包括以下几个方面：

一、判断拍摄地所在的南北半球

对地球上的观测者来说，站在不同位置所看到的北极星的位置是不同的。如图1所示，在北极点，北极星位于观测者的头顶；在除极点外的北半球其他区域，北极星位于观测者正北方的天空（如图1中A点所示）；在赤道上，北极星位于观测者正北方的地平线上；对南半球的观测者来说，北极星位于地平面以下（如图1中B点所示），观测者无法看到北极点。

因此，拍摄者若将相机对准天北极附近的天空，在所拍摄的天北极附近的星辰运动轨迹图中，若星辰的绕转中心（即北极星）位于地平面以上，则拍摄者位于北半球；若星辰的绕转中心位于地平线上，则拍摄者位于赤道；若星辰的绕转中心位于地平面以下，则拍摄者位于南半球。同理，拍摄者若将相机对准天南极附近的天空，在所拍摄的星辰运动轨迹图中，若星辰的绕转中心（即南极点上空）位于地平面以上，则观测者位于南半球；若星辰的绕转中心位于地平线上，则观测者位于赤道；若星辰的绕转中心位于地平面以下，则观测者位于北半球。 

二、判断拍摄地所在的纬度

在北极星附近的星辰运动轨迹图中，若拍摄者位于北半球，北极星的仰角即为拍摄地所在的纬度，如图1中位于北半球的A点北极星的仰角α等于A点的纬度；若拍摄者位于南半球，北极星的俯角即为拍摄地所在的纬度，如图1中位于南半球的B点北极星的俯角β等于B点的纬度。

同理，在天南极附近的星辰运动轨迹图中，若拍摄者位于南半球，天南极（即星辰的绕转中心）的仰角即为拍摄地所在的纬度；若拍摄者位于北半球，天南极的俯角即为拍摄地所在的纬度。

例题1：（2013年天津卷第8题）下图所示照片是摄影师在夜晚采用连续曝光技术拍摄的，照片中的弧线为恒星视运动轨迹。读图回答下题。

1.据下图判断，摄影师拍摄的地点位于

A.低纬地区   B.中纬地区  

C.北极附近   D.南极附近

解析：据试题所提供的星辰运动轨迹图可知，图中各星辰的绕转中心（北极星）位于地平线附近，即北极星的仰角很小，由此可以推断拍摄者应位于北半球，而且纬度较低，摄影师拍摄的地点位于北半球低纬度地区。该题正确答案为A。

三、判断拍摄时相机对准的南北方位

对北半球的拍摄者来说，若所拍摄的星辰运动轨迹图的旋转中心在地平面以上，则拍摄者在拍摄时相机对准的是北方的天空，所拍摄的图片为北极星（或天北极）附近的星辰运动轨迹图；若其旋转中心在地平面以下，则拍摄者在拍摄时相机对准的是南方的天空，所拍摄的图片为天南极附近星辰运动轨迹图。

同理，对南半球的拍摄者来说，若所拍摄的星辰运动轨迹图的旋转中心位于地平面以上，则拍摄者在拍摄时相机对准的是南方的天空，所拍摄的图片为天南极附近的星辰运动轨迹图；若其旋转中心在地平面以下，则拍摄者在拍摄时相机对准的是北方的天空，所拍摄的图片为北极星附近的星辰运动轨迹图。

例题2：读甲图和乙图。它们是甲、乙两地在晴朗的夜晚，把照相机固定好，对准星空，长时间曝光而得到的照片。照片中每颗星的运动轨迹呈一段弧线。甲乙两地都在北半球。读图，回答下题。

甲地                            乙地

1、甲乙两图星空的方位  （  ）

A、甲图面对的是北方天空    B、甲图面对的是南方天空

C、乙图面对的是西方天空    D、乙图面对的是东方天空

解析：从材料中可知，甲乙两地均位于北半球。在甲地拍摄的星辰运动轨迹图中，由于各星辰的旋转中心位于地平面以上，所以甲地的拍摄者相机对准的是北方的天空，各星辰的旋转中心为北极星。在乙地拍摄的星辰运动轨迹图中，由于各星辰的旋转中心在地平面以下，所以乙地的拍摄者相机对准的是南方的天空，各星辰的绕转中心为天南极。正确答案选A。

四、判断拍摄照片曝光所持续的时间

    北极星或天南极附近的星辰之所以会以各自的旋转中心呈逆时针或顺时针方向运动，是因为地球自西向东的自转。在星辰运动轨迹图中，各星辰旋转的角度等于地球该时间段内自转的角度。因此，在具体的星辰运动轨迹图中，可以根据各星辰在其运动轨迹上移动的弧长所对应的圆心角来求出拍摄照片曝光所持续的时间。具体方法为：用星辰运动轨迹图中的某一颗恒星在拍摄过程中绕其旋转中心旋转的角度除以地球自转的角速度（15°/h）。

例题3：（2013年天津卷第9题）下图所示照片是摄影师在夜晚采用连续曝光技术拍摄的，照片中的弧线为恒星视运动轨迹。读图回答下题。

1.下图中a恒星视运动转过的角度约为50°，据此判断摄影师连续拍摄的时间为（   ）

A.1个多小时   B.3个多小时  

C.5个多小时    D.7个多小时

解析：地球上的观测者之所以会看到北极星附近的星辰绕北极星旋转，是因为地球时时刻刻在按照自西向东的方向绕地轴自转。图中a恒星视运动转过的角度约为50°，所以摄影师在拍摄过程中拍摄地在地球表面自转的角度也约为50°，结合地球自转的角速度（15°/h），可以推断摄影师连续拍摄的时间约为3个多小时。该题正确答案为B。

五、判断星辰绕其旋转中心的旋转方向

       北极星（或天北极）和天南极附近的星辰绕各自的旋转中心旋转，是由于地球绕地轴自西向东的自转。因此，在星辰运动轨迹图中各星辰绕其旋转中心的运动方向应与地球自转的方向相反，即自东向西运动。但是，在拍摄者将相机对准北方和南方的天空所拍摄的星辰运动轨迹图中，星辰的旋转方向对地球上的观测者来说是存在一定的差异的，具体表现为：北极星附近的星辰运动轨迹图中，各星辰大致以北极星（天北极）为中心，呈逆时针方向运动。天南极附近的星辰运动轨迹图中，各星辰大致以天南极为中心，呈顺时针方向运动。

例题4：读甲图和乙图。它们是甲、乙两地在晴朗的夜晚，把照相机固定好，对准星空，长时间曝光而得到的照片。照片中每颗星的运动轨迹呈一段弧线。甲乙两地都在北半球。回答下列问题。

                                甲地                                                                             乙地

1、图中星星的绕转方向是  （  ）

A、都是顺时针              B、都是逆时针   

C、甲图逆时针，乙图顺时针  D、甲图顺时针，乙图逆时针

解析：甲乙两地均位于北半球，其中甲地所拍摄图片中各星辰的旋转中心在地平面以上，所以其表示的是北极星附近的星辰运动轨迹图，图中各星辰旋转的方向为逆时针；乙地多拍摄的图片中各星辰的旋转中心在地平面以下，所以其表示的是乙地朝南拍摄的以天南极为中心的星辰运动轨迹图，图中各星辰旋转的方向为顺时针。该题正确答案为C。