1、中華民國第四十七屆中小學科學展覽會作 品 說 明 書類 別：地球科學類科 別：自然科組 別：國小組作品名稱： 地球自轉讓我頭昏眼花？關 鍵 詞：地球自轉、太陽日、恆星日 編 號：2地球自轉讓我頭昏眼花？摘要本件作品主要在尋找地球自轉證據、以太空中的天體當作定點來測量出地球轉動一圈的時間、探討我們沒感覺到地球在動的原因，最後研發出自製的簡易地球轉速測量器。綜合研究結果成果如下：一、我們很難找到地球自轉的直接證據。二、測出地球自轉一圈的真正時間，大約是 23 小時 56 分 04 秒。三、地球轉速太慢太慢了，而且可能我們週遭的空氣隨著我們一起在地球表面轉動，所以我們才沒有察覺到地球正在轉動。四、以
2、鑽孔的紙盒、三腳架，配合附近的建築物，自製完成以太陽當作參考定點的地球轉速測量器及以恆星當作參考定點的地球轉速測量器，測量出地球自轉一個太陽日的時間，大約是 24 小時，測量出地球自轉一個恆星日的時間，大約是 23 小時 56 分04 秒，誤差可以控制到約 10 秒以內的程度。本次科學探究，除了解決了研究的問題外，我們還意外獲得很多相關的的天文常識。壹、 研究動機五年級上學期自然課，上到太陽和星星的單元時，我們觀察到太陽與星星，大致上都是由東往西移動，好像每天都在繞著地球轉的樣子。老師說，這是由於地球自轉所造成的現象。但地球真的會自轉嗎？為什麼站在地球上的我們都沒有感覺到地球在動？而且不會感覺
3、到頭暈？我們找了幾位同學，一起來探索這個問題。貳、 研究目的一、尋找地球自轉的證據。二、測量地球自轉的速度。三、探討地球自轉時我們沒感覺到在動及頭不會暈的原因。四、自製地球轉速測量器。參、 研究設備及器材天文台望遠鏡(日製 TAKAHASHI 12.8 cm 口徑、104cm 焦距、EM500 德式赤道儀)、電腦網路、圓形容器、鉛筆芯、立可白、天星象盤、Planetairum 星象軟體、手錶、指北針、旋轉高腳椅、紙箱紙盒、一般相機的三腳架。3肆、 研究方法、結果與討論一、尋找地球自轉的證據(一)實驗：從水面的漂浮物體的轉動情形判斷地球是否正在自轉。方法 1：在圓形容器上放置漂浮物體(鉛筆芯)
4、，將筆心一端沾上立可白，立可白對應到的容器邊緣畫上標示點【如右圖】。轉動容器，觀察筆芯是否有偏轉的情形。結果：逆時針轉動圓形容器時，漂浮筆芯並未完全跟著在逆食針轉。與原來的標示點比較起來，筆芯像是在做順時針偏轉。推測：如果將此圓形容器擺在固定位置不動時，如果地球慢慢的逆時針自轉時，我們應該可以看到漂浮筆芯慢慢順時針偏轉的情形。方法 2：在圓形容器上放置漂浮物體，總共設計十組，放置一段時間，觀察漂浮物體是否有因為地球自轉，而產生順時針偏轉情形。結果：整理表格如下：漂浮器 1 天後 2 天後 3 天後 4 天後 5 天後第一組 失敗沉到水底 不變 不變 不變 不變第二組 順偏轉一些 不變 不變 不
5、變 不變第三組 順邊轉一些 不變 不變 不變 不變第四組 逆偏轉一些 不變 不變 不變 不變第五組 逆偏轉一些 不變 不變 不變 不變第六組 順偏轉一些 不變 不變 不變 不變第七組 無偏轉 不變 不變 不變 不變第八組 無偏轉 不變 不變 不變 不變第九組 無偏轉 不變 不變 不變 不變第十組 無偏轉 不變 不變 不變 不變討論：(1)沒有如預期般明顯看到漂浮器筆芯偏轉的情形。(2)第一天有少部分的偏轉現象，可能是我們把漂浮器擺到定位後，裡面的水仍有些微的流動，而導致些微偏轉的現象。(3)檢討失敗原因，可能是地球自轉太慢的關係，也有可能是實驗地點不是在地球的正北極點的關係。4(二)實驗：觀察
6、天空星體的移動情形來判斷地球是否在自轉。方法 1：觀察太陽、月亮、星星的升起、落下，以描繪方式紀錄移動的情形。觀察太陽時是以影子來判斷太陽的高度角及移動情形。觀察星星則輔以星象盤來觀察。結果：(1)太陽從大約東邊的方向升起、從大約西邊的方向落下。(2)太陽的影子，大略是從西北北東北 的方向移動。(3)太陽中午時間的高度角紀錄如下：日期 2 月 26 日 3 月 19 日 4 月 13 日 4 月 28 日中午 12：00太陽高度角 55 度 65 度 74 度 80 度(4)月亮不管是白天或晚上，大致上都是由東往西移動。(5)紀錄星座移動情形【如下圖】：(3 月 9 日，夜間觀察)發現：(1)
7、 太陽、月亮、星星，每天看起來大致上都是從東升西落。(2) 太陽移動時大致上是以東邊東南南西南西邊的方式移動。(3) 太陽中午時間的高度角有慢慢升高(或向北移)的趨勢。(4) 夜晚星星是以北極星為中心點旋轉，星星大致上也都是由東往西移動。而且星星之間的相對位置並未改變，也就是星座的形狀不會改變。方法 2：模擬及體驗地球、太陽、月亮、星星的相互移動情形。我們幾個同學用移動的方式，來模擬地球、太陽、月亮、星星的位置，親自體驗這些星體之間到底是怎麼移動的。結果：找到地球、太陽、月亮、星星相互移動的兩種可能狀況：第一種：地球並未移動，是太陽、月亮、星星，不斷的由東往西繞著地球轉。但這種情況下，模擬太陽
8、、月亮、星星的同學必須很辛苦的繞著地球轉，且每個速度要都要控制好，否則星座的形狀很容易就變形了。第二種：太陽、月亮、星星不動，是地球本身由西往東轉動(從北極上空來看則是逆時針轉動)。這種情況下，太陽、月亮、星星可以不用跑，只要地球輕鬆的自己轉動就可以了，而且星座的形狀都沒有變形。推測：太陽、月亮、星星不動，而是地球本身由西往東(或逆時針)在轉動的可能性，大於地球不動，而是太陽、月亮、星星，不斷的由東往西繞著地球轉。5(三)實驗：看太空中其它星體是否有在自轉的情形(如果地球會自轉的話，太空中應該有其它星球也會自轉)方法：(1)以望遠鏡投影描繪太陽黑子， 觀看太陽是否有自轉的情形。(2)下載台北市
9、立天文教育館的太陽即時影像，從太陽黑子的移動來推測太陽是否會自轉。(3)以肉眼或望遠鏡觀看月亮，觀看月亮是否有自轉的情形。(4)以望遠鏡觀看行星是否有在自轉的情形。結果：(1)從連續幾次望遠鏡的太陽投影，紀錄到太陽黑子在太陽表面由西往東偏移【如右圖】。 (2)連續幾天從台北市天文科學教育館網站下載太陽即時影像，也紀錄到太陽黑子在太陽表面由西往東偏移的情形【如下圖】。(3)觀察月相，月亮有圓有缺，但每次都是同一面面對我們地球的方向。(4)月亮的位置，每個晚上與其它星星的相對位置，有明顯改變的情形，每個晚上都有向東移動的情形。根據查詢天文年鑑，得知月亮繞著地球轉。 (5)望遠鏡觀看行星，我們觀察到
10、金星、土星。其中金星只能看到一團亮光，看不清楚表面紋路，無法看出是否有自轉的情形。土星可清楚看到有一圈光環，但也無法判斷出是否有自轉的情形。 發現：(1)太陽的黑子有由西往東移動的情形，好像正在做逆時針的自轉。(2)雖然沒有明顯看到月亮在自轉的情形，但月亮在繞著地球轉一圈的同時，月亮的同一面也一直對著地球，所以可以推測月亮本身也逆時針自轉了一圈。(四)小結論：1. 我們找不到地球正在自轉的直接證據，觀察容器上的漂浮物體也不易看出有偏轉的現象。2. 從地球與太陽、月亮、星星的相對位置來看，有可能是地球正在做逆時針的自轉。3. 從太陽、月亮、表面來觀察，都有慢慢在逆時針自轉的情形，因此地球也有可能
11、正在逆時針自轉。6三、測量地球自轉的速度(一)實驗：尋找外太空固定的一點當作地球自轉運動的參考點。方法：(1)參考星象盤、2007 天文年鑑及 Planetairum 星象軟體，並配合在夜間實際觀察，找出天空中比較明亮顯眼的星體當作參考點。(2)在 96 年 3 月的夜間上半夜，將天空分成東半球、西半球兩個部分來觀察。(3)觀察這些星體之間的相對位置是否固定不變。(4)找出太空中比較顯眼，相對位置不會隨便亂動的星體，當作參考點。結果：(1)三月底七點到九點左右觀察紀錄，天空中較亮的天體有：東半球天空 西半球天空月亮、土星、春季大三角(獅子座的軒轅十四、牧夫座的大角星、室女座的角宿一) 、北斗七
12、星等天體。金星、冬季大橢圓(雙子座的北河二和北河三、小犬座南河三、大犬座的天狼星、獵戶座的參宿一、參宿七、御夫座的五車二)等天體。(2)月亮的位置，每個晚上與其它星星的相對位置，有明顯改變的情形(有往東移動的趨勢)。(3)金星、土星與其它星星的相對位置，看起來沒有明顯改變，但查詢天文年鑑可看出，金星目前正在白羊座附近移動，土星目前正在獅子座附近移動。(4)白天時只有太陽可當作外太空的參考定點。太陽與其它星星是否有相對移動情形不容易觀察。發現：(1)白天時，天空中以太陽最容易觀察，可當作我們選用的參考點。(2)夜晚時，天空中的星體，月亮、金星、土星等，雖然非常明亮，但是與其它的恆星比較起來，會有
13、稍微移動的情形，月亮更是明顯，所以並不適合當作我們的參考點。(3)夜晚時，天空中的星體，比較明亮且相對位置不會亂動的有春季大三角的三顆亮星、北斗七星、冬季大橢圓的多顆亮星，都可當作我們的參考點。(二)實驗：以太陽作為參考點，計算地球自轉一圈的時間。方法 1：利用天文望遠鏡投射中午時間的太陽影像。調整望遠鏡投影板，投影出直徑約 18公分的太陽影像。當太陽影像經過標記點時，開始計時，天文望遠鏡保持不動，等到下一次太陽影像再度通過標示點時，計時結束【如下圖】。在計時之前，我們先將手錶與中原標準時間對時，並校正手錶快與慢所造成的誤差。7結果：(1)我們可以看到太陽影像在投影板上有慢慢移動的情形。在 2
14、 分鐘又 8 秒鐘的時間內，移動了 18 公分(太陽在投影板上的圓圈直徑)，相當於每秒約移動 0.14公分。(2)測量結果紀錄如下表：序 計時開始 計時結束 計算地球自轉一圈時間1 4/12 日 12 點10 分 50 秒 4/13 日 12 點10 分 35 秒 23 時 59 分 45 秒(差 15 秒滿 24 小時)2 4/16 日 12 點57 分 21 秒 4/17 日 12 點57 分 05 秒 23 時 59 分 44 秒(差 16 秒滿 24 小時)34/17 日 12 點57 分 05 秒4/18 日 12 點56 分 50 秒23 時 59 分 45 秒(差 15 秒滿 2
15、4 小時)4 4/18 日 13 點05 分 54 秒 4/19 日 13 點05 分 44 秒 23 時 59 分 50 秒(差 10 秒滿 24 小時)(3)計時開始時的太陽影像位置，與計時結束時的太陽影像位置，並未完全重疊，而是有北移的現象，每天往北移動大約半顆太陽的距離。發現：(1)利用望遠鏡投射太陽影像，可以明顯看到影像在移動，所以可以幫助我們比較精準的測量到地球自轉一圈的時間。(2)太陽的投影，每天往北移動，這與我們的實際的觀察相同，在 2 月到 4 月期間，太陽每天中午的位置有北移的情形。(3)由幾次的紀錄觀察，以太陽當作天空的參考定點來計算地球自轉一圈時間，竟然都少於 24 小
16、時，這與我們原先猜測的剛好 24 小時有點差別。(4)做這一實驗觀察時，受天氣影響甚大，4 月時天氣常常不穩，增加我們觀測的困難。例如：今天開始計時，隔日烏雲罩頂就無法計時結束了，因為若想要再隔一日來計時並求取地球轉兩圈的平均值時，太陽就會往北移到投影板的外面而無法觀測到了。方法 2：查詢並下載中央氣象局的太陽經過中天時的時間，計算相鄰的兩個日正中天時間間隔，相當於就是地球自轉一圈所花的時間。結果：(1)下載並整理中央氣象局的 96 年太陽經過中天時的時間如下表：(本表係太陽過東經 120度子午圈之平時時分，臺中之日中過中天時間，需減 2 分 42 秒。)8日12345678910111213
17、1415161718192021222324252627282930311月12:03:1612:03:4512:04:1212:04:4012:05:0712:05:3412:06:0012:06:2612:06:5112:07:1612:07:4012:08:0412:08:2712:08:5012:09:1112:09:3312:09:5312:10:1312:10:3212:10:5112:11:0812:11:2512:11:4112:11:5712:12:1112:12:2512:12:3812:12:5012:13:0112:13:1212:13:212月12:13:3012:1
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27、間的間隔，相當於地球自轉一圈所花的時間。整理如下表：表格中的數字為 24 小時又多出來的秒數。例如：1 月 1 日，29代表 1 月 1 日太陽中天時間至 1 月 2 日太陽中天時間的間隔是 24 小時又 29 秒；3 月 1 日，- 9代表 3 月 1 日太陽中天時間至 3 月 2 日太陽中天時間的間隔是差 9 秒才滿 24 小時。91 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月123456789101112131415161718192021222324252627282930312927282727262625252424232321
28、22202019191717161614141312111199876653422000-2-2-3-2-4-5-6-6-7-8-8-9-10-10-10-12-9-12-13-13-14-14-14-15-15-16-15-16-17-16-17-17-17-17-18-18-17-18-18-18-19-18-18-18-18-18-18-18-18-18-17-17-18-16-17-16-15-16-15-15-14-14-14-13-13-13-12-12-11-11-10-10-9-9-9-9-7-8-6-7-5-6-4-4-3-3-2-2-10011223444566677889
29、910911911111212121212131313131313131313131313131312131212111111111010109999786755543331110-1-1-2-3-3-4-4-5-6-6-6-8-7-9-9-9-10-11-11-12-12-13-13-14-15-14-16-15-17-16-17-18-17-18-19-19-19-19-20-19-21-20-20-21-21-20-21-22-21-21-21-22-21-22-21-21-22-21-21-21-20-20-21-20-20-20-19-19-19-18-18-18-17-17-16-
30、16-16-15-14-14-13-13-12-12-11-10-10-9-9-7-8-6-5-5-4-4-2-2-101224456779910111212141415161618181820202122222324242526252727272828282929292930293030302930303029293028計 總計：- 23 秒 (從 1 月 1 日至 12 月 31 日共計 差 23 秒就滿 364 天)平均- 23 秒 / 364 = -0.06 秒平均自球自轉一圈的時間是：差 0.06 秒就滿 24 小時(或 23 小時 59 分 59.96 秒)(3)以太陽為定點計算
31、地球自轉一圈的時間，進一步整理如下圖：-30-20-100102030401月1日1月23日2月13日 3月7日3月29日4月19日5月11日 6月1日6月23日7月15日 8月5日8月27日9月18日10月9日10月31日11月22日12月13日日 期24時加減秒數10發現：(1)原來以太陽為定點來計算地球自轉一圈，並不是剛好 24 小時。最多時可達到24 小時又 30 秒，最少時要差 22 秒才滿 24 小時。(2)我們在中午以望遠鏡投射太陽影像的方式，所算出來的結果(如下表)，與中央氣象局的資料非常接近，相差不到 3 秒。中午時以望遠鏡投射太陽影像計算地球自轉一圈時間以氣象局公佈相鄰兩日
32、太陽中天時的間隔計算地球自轉一圈時間相差4/12 日至4/13 日23 時 59 分 45 秒(差 15 秒 24 小時)23 時 59 分 44 秒(差 16 秒 24 小時) 多 1 秒4/16 日至4/17 日23 時 59 分 44 秒(差 16 秒 24 小時)23 時 59 分 46 秒(差 14 秒 24 小時) 少 2 秒4/17 日至4/18 日23 時 59 分 45 秒(差 15 秒 24 小時)23 時 59 分 46 秒(差 14 秒 24 小時) 少 1 秒4/18 日至4/19 日23 時 59 分 50 秒(差 10 秒 24 小時)23 時 59 分 47 秒
33、(差 13 秒 24 小時) 多 3 秒(3)地球自轉一圈的一年的總平均值是差 0.06 秒就滿 24 小時，非常的接近24 小時。所以我們的常識中一天有 24 小時，可能就是以太陽為定點來計算地球自轉一圈所花的時間。(4)一年當中，地球自轉一圈的時間，雖然沒有固定，但卻是有規律性的在 24 小時左右變化。大約在春季與秋季的時候，地球自轉一圈的時間少於 24 小時；大約在夏季與冬季的時候，地球自轉一圈的時間大於 24 小時。(5)地球自轉一圈時間最少的日子大約就在春分、秋分的時候；地球自轉一圈時間最長的日子大約就在夏至、冬至的時候。參考下表之比較：地球自轉一圈最長最短日期3 月 19 日附近地
34、球自轉一圈差 19 秒滿 24時6 月 19 日附近地球自轉一圈24 時又 13 秒9 月 21 日附近地球自轉一圈差 22 秒滿 24時12 月 22 日附近地球自轉一圈24 時又 30 秒地球重要節氣3 月 21 日 春分6 月 22 日 夏至9 月 23 日 秋分12 月 22 日 冬至(三)實驗：以恆星作為參考點。計算地球自轉一圈的時間。方法：(1)利用天文望遠鏡觀察夜空中牧夫座的大角星(恆星中排名第四亮星)。當大角星在望遠鏡視野中慢慢移動到邊緣而消失，沒有光芒時，開始計時，天文望遠鏡保持不動，等到下一次大角星再度出現在視野中移動至消失不見時，計時結束。(2)查詢天文年鑑 2007等相關資料來比較。結果：(1)目標恆星出現在望遠鏡視野中的位置與移動路徑，每次都幾乎不變。
