初中科學/3.2 光影變幻與日月食

還記得小時候我們常玩的「踩影子」遊戲吧？有時我們在陽光下玩這個遊戲，有時在燈光下。在夜晚的燈光下，我們會發現影子的方向變來變去、長度變大變小、顏色變濃變淡，真有意思！那影子（Shadow）又是怎麼回事呢？（圖3-9）

	這節課你將學到：
光是什麼？它是怎麼發出的？光怎樣傳播？光傳播有多快？什麼是小孔成像為什麼會有影子？影子和光源存在什麼關係？為什麼會有日食和月食？日食和月食分為哪幾類？如何才能正確觀測日食？

我們上一節提到了「光」，光（Light）是什麼？光的傳播有多快？你知道嗎？

有的時候，太陽和月亮會突然消失不見，那種情況分別是日食（Solar eclipse）和月食（Lunar eclipse）。這又是怎麼回事？（圖3-10）

原來，這些都和光現象有關。讓我們走進那光影變幻的世界，去探索光的奧秘吧！

光的產生與傳播

圖3-12：光子從激光的相干光束中射出。

光是什麼？通俗地說，光是能量的一種表現形式，這種能量能夠激起人的視覺。人們認為光既有粒子（光子（ Photon）（圖3-12））的特性也有波的特性。

能夠發出光的物體叫光源（Light source）。常見的光源有太陽、蠟燭、螢火蟲、電燈等。

光不需要任何介質就可以傳播，因此光既是在真空中也能傳播。一般情況下光的傳播路徑總是直線，但如果介質改變或者受到引力等的影響光的傳播路徑也會改變。光只能穿過透明物質或半透明物質，不能穿過不透明物質。

圖3-14：蠟燭。
圖3-15：螢火蟲。
圖3-16：電燈。

圖3-17：陽光要花費大約8分19秒才能到地球。

圖3-18：小孔成像示意圖。

資料閱讀
人們測定光的傳播速度的歷史：早期科學家認為光的傳播速度是無限的。伽利略的辦法：他認為光速有限。1638年，他請二個人提燈籠各爬上相距僅約一公里的山上，第一個人掀開燈籠，並開始計時，對面山上的人看見亮光後掀開燈籠，第一個人看見亮光後，停止計時。這是史上著名的測量光速的掩燈方案，但由於光速實在太快，所以實驗沒有成功。奧勒·羅默的辦法：1676年，奧勒·羅默使用望遠鏡研究木星的衛星艾歐的運動，第一次定量的估計出光速。它認為光速是地球的軌道速度的9300倍，與現在的數值10100倍比較，相差無幾。阿曼德·斐索的辦法：1849年，用旋轉齒輪法求得光速是 3.153×10⁸ m/s。他是第一位用實驗方法，測定地面光速的實驗者。實驗方法大致如下：光從半鍍銀面反射後，經高速旋轉的齒輪投向反射鏡，再沿原路返回。如果齒輪轉過一齒所需的時間，正好與光往返的時間相等，就可透過半鍍銀面觀測到光，從而根據齒輪的轉速計算出光速。第十七屆國際計量大會上的決定：1983年第十七屆國際計量大會上作出決定，將真空中的光速299 792 458 m/s定為精確值。按照這樣計算，陽光來到地球大約需要8分19秒。（圖3-17）

真空中光的傳播速度為299 792 458 m/s，這個數值恆定不變，一般用 $c$ 表示，近似可認為是3.0×10⁸ m/s。空氣中光的傳播速度略小於真空中光的傳播速度，在任何透明或半透明的介質比如玻璃和水中，光速會降低。按照這個速度，光一年大概可以傳播9.46×10¹⁵ m，這個長度可以稱作1光年。光年是一個距離單位，符號為ly。距離太陽最近的恆星比鄰星，距離我們大約4.22 ly。

光的直線傳播原理有一個利用就是小孔成像。用一個帶有小孔的板遮擋在屏幕與物之間，屏幕上就會形成物的倒像，我們把這樣的現象叫小孔成像。前後移動中間的板，像的大小也會隨之發生變化。這種現象反映了光線直線傳播的性質。中國戰國時期的《墨子》一書敘述了小孔成像原理。（圖3-18）

光與影

我們知道，光傳播雖然不需要介質，但無法穿過不透明的物體。如果光在傳播過程中被不透明物體阻隔，光就會因為被擋住而無法傳播。這時不透明物體後就會找不到光，這就產生了影子。

那麼光與影有什麼關係呢？我們可以通過做實驗來了解光與影存在的關係。

圖3-19：光影關係簡圖。圖中l為平面，O為光源，AB、CD、EF、GH分別是等高的不透明物體。AB、CD在O的同距離不同方向處，可見其分別的影子A'B、C'D等長但方向不同（在光源相反方向）。GH在AB更遠距離，因此其影子G'H比A'B長。EF在光源O正下方，因此不見影子。

實驗探究
探究光與影的關係：需要材料：一支較高的蠟燭、一支較矮的蠟燭（或其他任何柱形物體，但要比前面的蠟燭矮）、一張白紙。實驗步驟：走進一間黑暗的房間，將白紙平鋪在桌面上。將高蠟燭放在白紙正中，點燃。（注意安全！點蠟燭時需要注意。避免讓蠟燭翻倒點燃白紙！）將矮蠟燭放在高蠟燭旁邊（不點燃），任意改變矮蠟燭位置，觀察矮蠟燭影子。觀察：矮蠟燭的影子方向和高蠟燭在矮蠟燭的方向有什麼關係？改變矮蠟燭和高蠟燭的距離，影子的長度改變嗎？你能清楚地看到高蠟燭的影子嗎？為什麼？

我們發現，物體的影子方向總在光源的相反方向。物體離光源越遠影子越長。如果物體垂直樹立在光源正下，我們將難以發現它的影子。（圖3-18）

日月食的奧秘

有時，太陽和月亮會突然消失不見。你知道這是怎麼回事嗎？這就是因為發生了日食或月食。

圖3-20：2017年8月20日日全食，攝於美國懷俄明州克羅哈特。
圖3-21：2009年7月22日日食的日偏食，攝於中國杭州。
圖3-22：2010年1月15日日環食，攝於中國濟南。
圖3-23：月全食，當地時間2003年11月8日於美國密歇根州大急流市拍攝。
圖3-24：月偏食。

實驗探究
模擬日食與月食：需要材料：一隻手電筒、一個乒乓球。需要你和其他兩名同學合作。實驗步驟：進入一間黑暗的房間。請你請的第一名同學拿着手電筒站在房間正中，打開手電筒，朝着某一方向。請你請的第二名同學手舉乒乓球站在手電筒朝着的方向，使得手電筒照到光能被看見。你站在這一方向的更遠處，調整自己的位置，直到乒乓球完全遮住手電筒。這時你還能看到手電筒嗎？你站在「手電筒」與「乒乓球」之間，調整自己的位置，試圖用自己的影子遮擋住手電筒照在乒乓球上的光。這時你還能看到乒乓球嗎？思考：將手電筒比作太陽，乒乓球比作月球，自己比作地球。思考日食月食的成因。

當月亮運行到地球和太陽之間，月球會遮住太陽的光芒，這時落在月球影子中的人就無法看見太陽，這就產生了日食。如果月球完全遮住太陽，叫日全食（圖3-20），如果月球只遮住太陽的一部分叫日偏食（圖3-21），如果月球距離地球比較遠而只能遮住月球的中心，這種情況就叫日環食（圖3-22）。極罕見的情況還有連續發生日環食和日全食的全環食。（日食成因圖解見圖3-25。）

當地球運行到月球與太陽之間，月球有可能走入地球的影子內。由於月球本身不發光，因此人們無法看到月球，或看到月球呈現古銅色，這就是月食。如果整個月球完全進入地球陰影，叫月全食（圖3-23），如果只有部分月球進入地球陰影，叫月偏食（圖3-24）。（月食成因圖解見圖3-26。）

當日全食太陽完全被月球遮住時，我們可以直接用肉眼觀測。但在其他時候比如日偏食時，太陽光度依然很強。這時我們可以使用專用觀測鏡，也可以使用小孔成像的方法，以一張白紙作為屏幕進行觀測。

圖3-25：日食成因圖解。（月球遮擋了太陽的直射光線，導致日食出現。在本影區，直射陽光全部被月球遮擋，無法照到地球上出現日全食；在半影區，則僅有部分陽光被遮擋，出現日偏食。有時還會只有太陽中心被月球遮擋，出現日環食。）

圖3-26：月食成因圖解。（地球遮擋了太陽的直射光線，導致月食出現。在本影區，直射陽光全部被地球遮擋，無法照到月球上出現月全食；在半影區，則僅有部分陽光被遮擋，出現月偏食或半影月食。）

關於日月食的有趣事實，你知道嗎？

日食只在朔日（農曆初一）發生，月食只在望日（農曆十五、十六或十七）發生。
在日全食時，太陽周圍會出現一圈日冕，它在平常並不能看到。
月球表面有許多環形山，因此月球背面凹凸不平。日全食時，太陽通過凹凸不平的山谷射出來，形成許多明亮的光線或光點，好像一串珍珠。這被稱為貝利珠現象。
理論上，日全食的最長時間不會超過7分31秒。但日全食有重要的科研價值。為了延長觀測日食的時間，法國的一位科學家竟然稱作超音速飛機，追趕月亮的影子，從而使觀測日全食的時間延長到了74分鐘。
如果太陽和地月運轉軌道在同一平面上，就會每月朔日都發生日食，每月望日都發生月食。但它們並不在同一平面上——有一個小小的夾角。所以日月食並不常見。

課後自主學習

設計一個實驗，證明光沿直線傳播。
你聽說過織女星（天琴座α）嗎？查找關於它的資料，回答：我們所看到的織女星是它什麼時候的樣子？
搜集近期能觀測到的日月食，按正確的方法進行觀測，寫觀測報告。