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)

圖3-10:人影。
圖3-11:日全食。
這節課你將學到:
  1. 光是什麼?它是怎麼發出的?
  2. 光怎樣傳播?光傳播有多快?
  3. 什麼是小孔成像
  4. 為什麼會有影子?影子和光源存在什麼關係?
  5. 為什麼會有日食和月食?
  6. 日食和月食分為哪幾類?
  7. 如何才能正確觀測日食?

我們上一節提到了「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)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

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圖3-12:光子從激光的相干光束中射出。

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3-17: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:
  1. 早期科學家認為光的傳播速度是無限的。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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 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

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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
      1. 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!)
      2. 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
      1. 矮蠟燭的影子方向和高蠟燭在矮蠟燭的方向有什麼關係?
      2. 改變矮蠟燭和高蠟燭的距離,影子的長度改變嗎?
      3. 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

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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月食



  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
    1. 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。
    2. 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。
    3. 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?
    4. 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

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  1. 設計一個實驗,證明光沿直線傳播。
  2. 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?
  3. 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。