析手表辨别方向的原理、方法及影响因素

张 权

(江苏省沛县中学，江苏沛县 221600)

利用手表辨别方向是野外生存实践活动的一项基本技能，它可以帮助我们提高生存能力和生活技巧。在高中新课程教科书(鲁教版·必修一)中，专门谈及如何利用手表辨别方向这一问题。同时，在2005年江苏高考试题中也涉及到此类问题。由此可见，利用手表辨别方向应该是每一位高中生需要掌握的一项基本技能。本文就手表辨别方面的原理、方法、影响因素以及误差产生的原因等一系列问题进行探讨，并通过图解的方法对其进行直观地分析和阐述，以便大家能更好地理解和掌握这项基本生存技能。

一、手表辨别方向的原理和方法

(一)原理

由于地球的自转，太阳每天匀速在天空中自东向西运动(天文学上称之为“周日视运动”)，太阳在天空中的视运动速度是每小时向西运动15°。在我们看来，太阳周日视运轨迹是一个以观测者为中心且平行于天赤道的圆，就好像一个24时制的表盘，它与太阳一起构成了一个巨大的“天然时钟”，太阳所在位置好似钟表时针所指的位置。同时，我们规定太阳经过某地上中天(太阳周日运动中，地平高度最大时的位置)的时刻为当地12点。此时，对于北回归线以北的地区来说，太阳应在观测者的正南方某一高度的天空中。虽然这个“时钟”钟面在一年中会随季节而南北移动，但它的垂线永远指向北天极，并且就观测者而言，一年中的多数时候，钟面刻度对应的方位变动不算太大，只是在低伟度地区变化比较明显。例如，在海口(20°N)，夏至日前后一段时间内，12点太阳可能出现在北方(天顶以北)，而其他大多日期，它是在南方。我们在利用手表辨别方向时，就是将手表时刻及表盘刻度与“天然时钟”相参照来确定南方或北方(图1)。

图1 手表及表盘与“天然时钟”的参照图

手表可以视为“天然时钟”的微缩版。由于时数一日是24小时，如果手表采用也24时制表盘计时(图2)，那么在任意时刻将表盘与太阳视运动平面重合，并且把手表时针指向太阳，则表盘上12时刻度指向即为太阳经过上中天时的方位。对于我国绝大部分地区，它的指向始终是南方。由此可见，我国大多数地区是可以借助手表，根据太阳视运动轨迹，大致判定方位的。

图2 24时制表盘示意图

(二)方法

事实上，在实际生活中，我们使用的手表基本都采用12时制表盘。如何利用12时制手表辨别方位呢?首先，我们必需明确，太阳周日视运动的角速度是每小时向西15°，而时针在表盘上每小时转动的角度为30°。也就是说，时针转动的角速度是太阳升落速度的2倍。因此，我们常采用“时间折半法”或“角平分线法”来确定方位。

1.“时间折半法”。

图3 时间折半法示意图

先将手表平置，表面向上，以钟表时刻(按24时制)折半的刻度位置对准太阳，表盘上“12”刻度的指向即为北方。例如，在某地下午2点(即14点)，我们将表盘上7点刻度对准太阳，则表盘上12点刻度对准的方向即是北方(图3)。这是因为，前面我们提到的“天然时钟”的0点位于北方，并且手表时针转动的角速度是太阳升落速度的2倍，于是钟表时刻除以2的刻度位置恰好是“天然时钟”里太阳所处的方位。以此对准太阳，表盘0刻度(即12时制钟表的12点刻度)指向即为北方。该方法可简记为:“时刻折半对太阳，十二指向是北方”。

2.“角平分线法”。

先将手表平置，表面向上，以时针指向太阳，则时针与表盘12点刻度的角平线指向为南方。例如，还是下午2点，以时针指向太阳，时针与表盘12点刻度的角平分线即1点刻度所指方向为南方(图4)。这是因为，“天然时钟”里的12点位于南方，凡不足12点或超过12点的时刻，太阳距正午(即南方)的角度是时针距12点刻度的一半。该方法可简记为:“时针指太阳，时午中间为南方”。

图4 角平分线示意图

除以上两种手表辨别方向的方法外，在野外，我们还可以借用较细较直的草茎或叶柄等辅助物，并与手表结合在一起辨别方向。具体方法是:先将手表平置，表面向上，将一根细直的草茎或叶柄垂直立于表盘中心，水平转动手表，使草茎或叶柄的影子与时针重合，则时针与12时刻度之间的平分线即是北方(图5)。此方法优点是便于与太阳相参照。

图5 借助辅助物辨别方向示意图

以上几种辨向方法主要适用于北回归线以北的地区，对于我国绝大部分地区来讲，是可行的。而对于南北回归线之间的地区，由于正午太阳方位季节变化明显，且正午太阳高度较大，手表辨向操作性差，易产生较大的误差甚至错误，所以以上几种方法均难以使用。另外，对于南回归线以南的地区，由于太阳周日视运动轨迹也是自东向西，而正午太阳却始终位于观测者的北方(天顶以北)，所以相对于观测者而言，太阳在天空呈逆时针升落，这与手表指针顺时针转动恰好相反，因此，以上几种辨向方法难以使用。

二、影响手表辨别方向的因素

借助手表辨别方向往往要受到天气状况、纬度以及钟表时间与地方时之间的差异等因素的影响或制约。

1.天气状况。

手表辨别方向的基本原理是借助太阳并结合其视运动规律进行辨别方向，而阴雨天时太阳不可见，无法将时针或表盘某刻度指向太阳，也就无法利用手表辨别方向。

2.纬度。

纬度位置是影响手表辨别方向准确度及可行性的重要因素。例如，站在极点处周围任何方向都是南或北，手表辨向不可行。又如，在低纬度热带地区，正午太阳几乎运行在天顶附近，且其方位相对观测者而言随季节变化明显。这就造成，一方面很难把手表平置并使时针或表盘某一刻度对准太阳，另一方面很可能出现辨别结果与实际完全相反的状况。可见，就纬度而言，中高纬度地区是利用手表辨别方向的理想地区。

3.钟表时间与地方时之间的差异。

利用手表辨别方向还有一个要求，即手表上的时间与当地的地方时必须大体相符，如果有明显差异，则需要先换算成当地的地方时，再加以辨别。在我国，由于各地统一使用一个时间——北京时间(即120°E的地方时)，如果当地经度与120°E相差较大，则当地地方时与北京时间(即手表上的时间)相差较大，经度每相差15°，地方时就相差1小时，所以利用手表辨向时必须考虑这种差异产生的影响。例如，在北京(116°E)，我们看到太阳升至上中天的那一刻，手表上的时间差不多就是12点，而在西藏拉萨(约为90°E)，太阳升至上中天时，手表上的时间已经是下午2点了。如果不做时间换算，后者定出的南方偏东，北方偏西，偏差可达近30°。

三、产生误差的主要原因

如果将表盘放置于太阳周日视运动面中，并且使表盘中心与太阳周日视运动圆面中心重合，就能准确地定出方向。但实际辨别方向时，由于不知道北天极的位置，表盘只能水平放置，这样就会与太阳周日视运动面有一个夹角，而且表盘中心与太阳周日视运动圆面中心除春、秋分外，并不重合。手表辨向的主要误差即由这两方面而产生(图6)。一般来说，上述夹角越大(即纬度位置越低)，辨向精确度越差。

图6 手表辨向误差产生示意图

在北半球，根据常用的手表辨向法定出的方位与实际方位进行对比分析，得出以下几点结论:

1.在大多数情况下，北半球上午运用手表辨向法定出的北方偏西，南方偏东，下午相反，中午12点最准确。但在北回归线以南的地区，夏季通常不可利用手表辨向，尤其是一天中太阳高度角较大时。即使是在太阳高度较小时，也需谨慎辨别。

2.通常是纬度越高，手表定向精度越高(极点附近除外)。

3.太阳赤纬越低，定向精度越高。也就是说在北半球利用手表辨向，冬季精度最高，春秋次之，夏季最差。但在日出或日落时刻定方位，春、秋分最为准确。

［1］金祖梦，陈自悟.地球概论［M］.北京:高等教育出版社，1997.

［2］李鉴，刘忠毅.“手表定向”实践活动设计［J］.中学地理教学参考，2011，(6).

［3］利用手表辨别方向［J］.福建农业，1996，(1):27.