京深兩地日食觀測引發(fā)的思考

葉喆 高曉燕

2020年6月21日，難得一遇的“金邊日食”引起了大家的關(guān)注。非天文愛好者沒有專業(yè)的觀測設(shè)備，采用各種方法觀察日食：有的在紙盒上打孔，做成簡易太陽眼鏡觀察;有的舉起家里的漏勺，利用小孔成像的原理觀察;還有的用望遠(yuǎn)鏡套上太陽濾光鏡，采取凸透鏡成像的原理觀察。當(dāng)然最真實(shí)的觀測記錄還要數(shù)鏡頭上安裝巴德膜，利用相機(jī)拍照記錄。

趣味發(fā)現(xiàn)

科學(xué)教師自然是不能錯(cuò)過這千載難逢的饕餮盛宴。當(dāng)我們把北京和深圳兩地的日食觀測記錄進(jìn)行對(duì)比觀察的時(shí)候，有了一些有趣的發(fā)現(xiàn)。

首先，無論是北京還是深圳，看到的日食過程，都是太陽右下角開始初虧，到左上角復(fù)圓，而且在北京和深圳兩地看到的都是日偏食。

其次，食甚時(shí)北京看到的太陽被遮擋的面積小，深圳看到的太陽被遮擋的面積大。我們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)：在北京看到的是月球從西向東偏太陽中心線以下斜著穿過，形成“斜下穿”的日偏食;在深圳看到的則是月球從西向東偏太陽中心線以上斜著穿過，形成“斜上穿”的日偏食（參見圖5）。

原因探尋

作為科學(xué)教師，在教學(xué)中經(jīng)常會(huì)叮囑學(xué)生在科學(xué)探究中要細(xì)致地觀察、認(rèn)真地比較，并在比較中找到相同點(diǎn)與不同點(diǎn)，進(jìn)而研究產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因，這是學(xué)生通過科學(xué)學(xué)習(xí)而應(yīng)具備的科學(xué)素養(yǎng)之一。那么，是什么原因造成在北京看到“斜下穿”而在深圳看到“斜上穿”呢？于是，我們?cè)诳茖W(xué)教師交流群里展開討論，做出如下解釋。

1.關(guān)于日食的成因

由于月球運(yùn)行到地球和太陽中間，在地球上留下了月球的陰影，處在陰影區(qū)的人就會(huì)觀測到日食。本次日食是日環(huán)食，由“日環(huán)食成因”（如圖1）我們可知：處在半影區(qū)的人會(huì)觀測到日偏食，處在偽本影區(qū)的人會(huì)觀測到日環(huán)食。我們?cè)賮砜础叭帐硯А?，這張圖（如圖2）中間深色線的區(qū)域是偽本影區(qū)，也就是能夠觀測到“金邊日食”的區(qū)域，這是一個(gè)相對(duì)來說很狹窄的日環(huán)食帶;半影區(qū)則是一個(gè)相對(duì)比較寬的區(qū)域。北京、深圳分別在日環(huán)食帶的兩側(cè)，處在半影區(qū)域，所以兩地觀測到的是日偏食。

2.關(guān)于日食發(fā)生的遮擋過程和方向

從北京、深圳兩地日食的過程來看，總體趨勢都是月球先在西邊接近太陽，遮擋出陰影，造成初虧，再朝東邊離開，從而復(fù)圓。原因在于月球的公轉(zhuǎn)方向，正是由于月球自西向東繞地球公轉(zhuǎn)，所以各地日食帶的人看到的日食都是西邊初虧，東邊復(fù)圓。

3.關(guān)于觀測地點(diǎn)與日食帶的位置關(guān)系

如圖2所示，北京的地理位置離日環(huán)食帶較遠(yuǎn)，而深圳的地理位置離日環(huán)食帶較近，所以深圳看到的日食遮擋面積比北京大，食甚時(shí)接近日環(huán)食。

這一點(diǎn)從2019年12月26日的北京日食觀測記錄也能得到佐證（如圖3）。2019年在北京也是觀測到日偏食，被遮擋的陰影面積比2020年6月21日觀測的日食陰影面積要小很多。我們?cè)賮肀容^兩次的日食帶圖片，2019年北京距離偽本影區(qū)更遠(yuǎn)一些（如圖4），所以被遮擋的陰影面積更小一些。

仔細(xì)觀察2020年6月21日深圳和北京兩地日偏食的過程，發(fā)現(xiàn)北京和深圳看到的日偏食的方位和陰影面積的差別很大。北京的日偏食是月球由西向東在太陽的小面積“斜下穿”掠過，而深圳的日偏食則月球由西向東在太陽的大面積“斜上穿”掠過。

為什么月球會(huì)“掃過”太陽不同的面積呢？這是北京和深圳的經(jīng)緯度差異導(dǎo)致的：北京位于北半球的東八區(qū)，中心位置是東經(jīng)116°20′、北緯39°56′，深圳是東經(jīng)114°05′、北緯22°38′，兩地分屬日食偽本影區(qū)的南北兩側(cè)，都在半影區(qū)內(nèi)，且深圳比北京更加靠近偽本影區(qū)。正是兩地方位的差異，導(dǎo)致了在兩地觀測的日食現(xiàn)象大大不同。

我們可以做一個(gè)同一時(shí)刻不同地區(qū)的日食的模擬實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證，選取紅色氣球模擬太陽，黃色塑料球模擬月球，如圖5所示：這是同一時(shí)刻的三個(gè)定格鏡頭，圖a是在模擬偽本影區(qū)的人，剛好在那一時(shí)刻看到日環(huán)食圖像;與此同時(shí)，圖b是模擬在深圳的人，位于偏南地理位置看到的日偏食圖像;而圖c則是模擬在北京的人，位于偏北位置同時(shí)看到的日偏食圖像。

我們通過模擬實(shí)驗(yàn)可以看到，在偽本影區(qū)的人看到了日環(huán)食，即月球由西向東斜中穿過太陽;處在日食帶南側(cè)的人則看到日偏食，月球由西向東斜上穿過太陽;處在日食帶北側(cè)的人也看到日偏食，但看到的是月球由西向東斜下穿過太陽。這個(gè)實(shí)驗(yàn)很好地模擬了實(shí)際現(xiàn)象，證實(shí)了地理方位相對(duì)于偽本影區(qū)的差異是導(dǎo)致不同地區(qū)的人看到的日食圖景大不相同的主要原因（發(fā)生日全食時(shí)，則主要參考觀測地方位與本影區(qū)的差異）。

在這次北京、深圳日食觀測的交流活動(dòng)中，我們?nèi)鐚?shí)地記錄了觀測到的現(xiàn)象，并通過觀察、比較發(fā)現(xiàn)了北京、深圳兩地觀測現(xiàn)象的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)。我們還通過資料查詢、分析的方法，在交流討論的過程中發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因。但是由于宇宙天體的宏觀性，也有一些道理僅僅憑借空間想象很難建立正確的認(rèn)知，還要借助模擬實(shí)驗(yàn)，幫助建構(gòu)空間結(jié)構(gòu)模型，利用科學(xué)概念解釋事實(shí)。這次日食觀測使我們這些科學(xué)教師，能像科學(xué)家一樣采用科學(xué)研究的方法探索問題，是一次科學(xué)探究活動(dòng)的實(shí)戰(zhàn)歷練。