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初中科学/3.2 光影变幻与日月食

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图3-10:人影。
图3-11:日全食。
Livre ouvert.svg 这节课你将学到:
  1. 光是什么?它是怎么发出的?
  2. 光怎样传播?光传播有多快?
  3. 什么是小孔成像
  4. 为什么会有影子?影子和光源存在什么关系?
  5. 为什么会有日食和月食?
  6. 日食和月食分为哪几类?
  7. 如何才能正确观测日食?

还记得小时候我们常玩的“踩影子”游戏吧?有时我们在阳光下玩这个游戏,有时在灯光下。在夜晚的灯光下,我们会发现影子的方向变来变去、长度变大变小、颜色变浓变淡,真有意思!那影子(Shadow)又是怎么回事呢?(图3-9)

我们上一节提到了“光”,(Light)是什么?光的传播有多快?你知道吗?

有的时候,太阳和月亮会突然消失不见,那种情况分别是日食(Solar eclipse)月食(Lunar eclipse)。这又是怎么回事?(图3-10)

原来,这些都和光现象有关。让我们走进那光影变幻的世界,去探索光的奥秘吧!

目录

光的产生与传播编辑

 
图3-12:光子从激光的相干光束中射出。

是什么?通俗地说,光是能量的一种表现形式,这种能量能够激起人的视觉。人们认为光既有粒子(光子( Photon)(图3-12))的特性也有波的特性。

能够发出光的物体叫光源(Light source)。常见的光源有太阳、蜡烛、萤火虫、电灯等。

光不需要任何介质就可以传播,因此光既是在真空中也能传播。一般情况下光的传播路径总是直线,但如果介质改变或者受到引力等的影响光的传播路径也会改变。光只能穿过透明物质或半透明物质,不能穿过不透明物质。



 
图3-17:阳光要花费大约8分19秒才能到地球。
 
图3-18:小孔成像示意图。


  资料阅读
  • 人们测定光的传播速度的历史:
  1. 早期科学家认为光的传播速度是无限的。
  2. 伽利略的办法:他认为光速有限。1638年,他请二个人提灯笼各爬上相距仅约一公里的山上,第一个人掀开灯笼,并开始计时,对面山上的人看见亮光后掀开灯笼,第一个人看见亮光后,停止计时。这是史上著名的测量光速的掩灯方案,但由于光速实在太快,所以实验没有成功。
  3. 奥勒·罗默的办法:1676年,奥勒·罗默使用望远镜研究木星的卫星艾欧的运动,第一次定量的估计出光速。它认为光速是地球的轨道速度的9300倍,与现在的数值10100倍比较,相差无几。
  4. 阿曼德·斐索的办法:1849年,用旋转齿轮法求得光速是 3.153×108 m/s。他是第一位用实验方法,测定地面光速的实验者。实验方法大致如下:光从半镀银面反射后,经高速旋转的齿轮投向反射镜,再沿原路返回。如果齿轮转过一齿所需的时间,正好与光往返的时间相等,就可透过半镀银面观测到光,从而根据齿轮的转速计算出光速。
  5. 第十七届国际计量大会上的决定:1983年第十七届国际计量大会上作出决定,将真空中的光速299 792 458 m/s定为精确值。按照这样计算,阳光来到地球大约需要8分19秒。(图3-17)

真空中光的传播速度为299 792 458 m/s,这个数值恒定不变,一般用 表示,近似可认为是3.0×108 m/s。空气中光的传播速度略小于真空中光的传播速度,在任何透明或半透明的介质比如玻璃和水中,光速会降低。按照这个速度,光一年大概可以传播9.46×1015 m,这个长度可以称作1光年光年是一个距离单位,符号为ly。距离太阳最近的恒星比邻星,距离我们大约4.22 ly。

光的直线传播原理有一个利用就是小孔成像。用一个带有小孔的板遮挡在屏幕与物之间,屏幕上就会形成物的倒像,我们把这样的现象叫小孔成像。前后移动中间的板,像的大小也会随之发生变化。这种现象反映了光线直线传播的性质。 中国战国时期的《墨子》一书叙述了小孔成像原理。(图3-18)

光与影编辑

我们知道,光传播虽然不需要介质,但无法穿过不透明的物体。如果光在传播过程中被不透明物体阻隔,光就会因为被挡住而无法传播。这时不透明物体后就会找不到光,这就产生了影子

那么光与影有什么关系呢?我们可以通过做实验来了解光与影存在的关系。

 
图3-19:光影关系简图。图中l为平面,O为光源,AB、CD、EF、GH分别是等高的不透明物体。AB、CD在O的同距离不同方向处,可见其分别的影子A'B、C'D等长但方向不同(在光源相反方向)。GH在AB更远距离,因此其影子G'H比A'B长。EF在光源O正下方,因此不见影子。


  实验探究
  • 探究光与影的关系:
    • 需要材料:一支较高的蜡烛、一支较矮的蜡烛(或其他任何柱形物体,但要比前面的蜡烛矮)、一张白纸。
    • 实验步骤
      1. 走进一间黑暗的房间,将白纸平铺在桌面上。将高蜡烛放在白纸正中,点燃。(注意安全!点蜡烛时需要注意。避免让蜡烛翻倒点燃白纸!)
      2. 将矮蜡烛放在高蜡烛旁边(不点燃),任意改变矮蜡烛位置,观察矮蜡烛影子。
    • 观察
      1. 矮蜡烛的影子方向和高蜡烛在矮蜡烛的方向有什么关系?
      2. 改变矮蜡烛和高蜡烛的距离,影子的长度改变吗?
      3. 你能清楚地看到高蜡烛的影子吗?为什么?

我们发现,物体的影子方向总在光源的相反方向。物体离光源越远影子越长。如果物体垂直树立在光源正下,我们将难以发现它的影子。(图3-18)

日月食的奥秘编辑

有时,太阳和月亮会突然消失不见。你知道这是怎么回事吗?这就是因为发生了日食月食



  实验探究
  • 模拟日食与月食
  • 需要材料:一只手电筒、一个乒乓球。需要你和其他两名同学合作。
  • 实验步骤
    1. 进入一间黑暗的房间。请你请的第一名同学拿着手电筒站在房间正中,打开手电筒,朝着某一方向。
    2. 请你请的第二名同学手举乒乓球站在手电筒朝着的方向,使得手电筒照到光能被看见。
    3. 你站在这一方向的更远处,调整自己的位置,直到乒乓球完全遮住手电筒。这时你还能看到手电筒吗?
    4. 你站在“手电筒”与“乒乓球”之间,调整自己的位置,试图用自己的影子遮挡住手电筒照在乒乓球上的光。这时你还能看到乒乓球吗?
  • 思考:将手电筒比作太阳,乒乓球比作月球,自己比作地球。思考日食月食的成因。


当月亮运行到地球和太阳之间,月球会遮住太阳的光芒,这时落在月球影子中的人就无法看见太阳,这就产生了日食。如果月球完全遮住太阳,叫日全食(图3-20),如果月球只遮住太阳的一部分叫日偏食(图3-21),如果月球距离地球比较远而只能遮住月球的中心,这种情况就叫日环食(图3-22)。极罕见的情况还有连续发生日环食和日全食的全环食。(日食成因图解见图3-25。)

当地球运行到月球与太阳之间,月球有可能走入地球的影子内。由于月球本身不发光,因此人们无法看到月球,或看到月球呈现古铜色,这就是月食。如果整个月球完全进入地球阴影,叫月全食(图3-23),如果只有部分月球进入地球阴影,叫月偏食(图3-24)。(月食成因图解见图3-26。)

当日全食太阳完全被月球遮住时,我们可以直接用肉眼观测。但在其他时候比如日偏食时,太阳光度依然很强。这时我们可以使用专用观测镜,也可以使用小孔成像的方法,以一张白纸作为屏幕进行观测。

 
图3-25:日食成因图解。(月球遮挡了太阳的直射光线,导致日食出现。在本影区,直射阳光全部被月球遮挡,无法照到地球上出现日全食;在半影区,则仅有部分阳光被遮挡,出现日偏食。有时还会只有太阳中心被月球遮挡,出现日环食。)
 
图3-26:月食成因图解。(地球遮挡了太阳的直射光线,导致月食出现。在本影区,直射阳光全部被地球遮挡,无法照到月球上出现月全食;在半影区,则仅有部分阳光被遮挡,出现月偏食或半影月食。)
  关于日月食的有趣事实,你知道吗?
  • 日食只在朔日(农历初一)发生,月食只在望日(农历十五、十六或十七)发生。
  • 在日全食时,太阳周围会出现一圈日冕,它在平常并不能看到。
  • 月球表面有许多环形山,因此月球背面凹凸不平。日全食时,太阳通过凹凸不平的山谷射出来,形成许多明亮的光线或光点,好像一串珍珠。这被称为贝利珠现象。
  • 理论上,日全食的最长时间不会超过7分31秒。但日全食有重要的科研价值。为了延长观测日食的时间,法国的一位科学家竟然称作超音速飞机,追赶月亮的影子,从而使观测日全食的时间延长到了74分钟。
  • 如果太阳和地月运转轨道在同一平面上,就会每月朔日都发生日食,每月望日都发生月食。但它们并不在同一平面上——有一个小小的夹角。所以日月食并不常见。

课后自主学习编辑

  1. 设计一个实验,证明光沿直线传播。
  2. 你听说过织女星(天琴座α)吗?查找关于它的资料,回答:我们所看到的织女星是它什么时候的样子?
  3. 搜集近期能观测到的日月食,按正确的方法进行观测,写观测报告。