應用相對運動原理巧解多天體動態觀測問題探析

方晴雯

摘 要：動態天體視運動是指疊加了時間屬性的天體觀測，不再是單一考查某一時刻的天象，開始關注天體位置隨時間的變化。難度更大的動態天體觀測是探討多個天體間相對位置的變化。日食是從太陽西緣開始、東緣結束，水星凌日是從太陽東緣開始、西緣結束，月食是從月球東緣開始、西緣結束，這三種天象的視運動方向不同與地心視角下的天體公轉方向不同有關，采用相對運動原理結合視運動圖示可以清晰直觀地反映出來。

關鍵詞：日食；月食；水星凌日；相對運動；多天體動態觀測

中圖分類號：G633.55? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：1005-5207（2024）01-0045-04

天體觀測在歷年高考題中屢見不鮮，按觀測對象可以分為“太陽視運動”和“其他天體視運動”兩類，按觀測點可以分為“地球視角”和“其他天體視角”兩類。天體觀測類知識具有較強的抽象性，學生需要運用一定的數理思維、空間想象力和時空變化思維才能找到正確的解題思路。［1］

一、天體觀測考向分析

1.天體觀測試題統計

以浙江卷為例，根據歷年天體觀測高考試題分析（表1），太陽視運動的考點集中在“方位判斷”“日影變化”“高度計算”等，其他天體視運動的考點集中在“能否觀測”“觀測時間”“觀測位置（包括天體高度、方向、排列）”等。天體時空方位的判斷需要結合地球、太陽、天體三者的位置關系進行日心視角到地平視角的切換，對學生空間建模能力要求較高，也是天體觀測的難點所在。

2.天體觀測解題技巧

總結天體觀測的解題技巧：一是不同空間系視角的靈活切換，常用的觀測視角有日心視角、地平視角、其他天體視角等；二是不同空間系方向的判斷，如太陽系側、俯視圖和地月系側、俯視圖需要用公轉方向判斷，地平上的東西方向則常用地球自轉方向來判斷；三是天體間的相對位置，如識記太陽系八大行星的排列順序，東西大距、沖日、合日、日月食等不同天象下天體的相對位置；四是觀測時間常結合地球晨昏線進行判斷。

二、動態天體觀測判斷

高中地理新課程標準的綜合思維素養水平二強調能夠從空間和時間綜合的角度分析地理事象的發生、發展和演化。除關注靜態天體觀測外，還要重視動態的天體視運動。［2］

動態天體視運動是指疊加了時間屬性的天體觀測，不再是單一考查某一時刻的天象，開始關注天體位置隨時間的變化，在近年高考、模擬題中不斷出現。

例1.（2020年1月浙江卷第20題） 若觀測者在地球某地先后觀測到月球、水星經過太陽表面的天象，則第二天正午三大天體在星空中的位置可能是圖1中的

參考答案：D

解析：從地心視角看，月球公轉方向與水星公轉方向不同，造成第二天的排列差異（圖2）。

例2.（2022年1月浙江卷第19題） 攝影愛好者在南半球某地朝西北固定方向拍攝太陽照片，拍攝時間為K日及其前、后第8天的同一時刻。圖3為合成后的照片，圖4為地球公轉軌道示意圖。

參考答案：B

解析：K日前、后第8天同一時刻的太陽位置重疊，說明這兩天的太陽視運動軌跡重合，太陽高度一致，太陽直射點位置相同，太陽直射點的緯度變化以夏至、冬至對稱，說明K日為夏至或冬至前后，結合地球公轉軌道示意圖，只有②快到遠日點7月初，為夏至點。

解答動態天體觀測題需要學生結合天體的運動規律，進行空間建模，復現天體的運行軌跡。難度更大的動態天體觀測是探討多個天體間相對位置的變化，學生往往不得其法，難以下手。如日食、月食、水星凌日是由于地球、太陽、天體三者相對位置變化產生的動態天象，網絡上關于其成因的科普文章與視頻很多，筆者將不再贅述（表2）。

在運動方向上，日食是從太陽西緣開始、東緣結束，水星凌日是從太陽東緣開始、西緣結束，月食是從月球東緣開始、西緣結束（圖5），什么原因造成了三者不同的動態方向？

三、相對運動與多天體動態觀測

1.日食與水星凌日

日食與水星凌日的天體分布位置相似，均是天體居于地球和太陽之間，三者基本處于同一條直線上產生的天文現象（圖6）。從地球上可觀測到月球和水星的暗面從日面經過，可二者的視運動方向截然相反，日食時，地球觀測到月球由西向東經過日面，而水星凌日是水星由東向西經過日面，這是為何？

在日食虧缺順序上，很多教師利用圖7進行解釋——月球自西向東公轉經過日面，因此，日食從太陽西緣開始、東緣結束。但是，圖7中地心視角與日心視角混合，地球自轉和月球公轉夾雜，不少學生疑惑從地球上看過去，月球和太陽一樣做東升西落運動，為何圖7所示月球是自西向東運動？日食持續時間短暫，月球公轉角度應該很小，為何圖7忽略地球自轉，只考慮月球公轉的影響？

要想清楚解答這個問題，首先要明確這里的天體視運動都是指地球觀測者觀測到的天體運動，因此，所有的天體觀測都必須落在地面觀測者視角。

由于太陽系內大部分天體的公轉角速度都遠小于地球自轉角速度，所以天體視運動主要由地球自轉引起。在地面的觀測者看來，地球靜止不動，其他天體都圍繞地軸做東升西落的相對運動，這就是“天體周日視運動”。那么天體的視運動速度和地球自轉速度是否一樣都是15°/h？答案是否定的，因為天體自身的公轉也會影響到天體的視運動速度，當天體公轉方向與地球自轉方向一致時，天體視運動速度會減慢，若天體公轉方向與地球自轉方向相反，天體視運動速度會加快。

要解釋日食、水星凌日的運動方向，可以利用太陽、月球、水星的視運動速度差異。由于地球公轉視角下太陽的位置恒定不動，所以太陽的視運動速度就是地球的自轉速度，而月球是自西向東繞地球公轉，與地球自轉方向一致，與其視運動方向相反，所以，月球的視運動速度小于地球自轉速度。由此可知，太陽的視運動要快于月球，因此，在地面觀測者看來，“日食”發生時，是太陽自東向西追上了月球，所以日食是從太陽西緣開始、東緣結束（圖8）。

水星凌日發生時，也是地內行星行進到下合位置時，從地心視角看，會出現行星逆行的現象，即水星自東向西的視覺倒退現象（圖9）。

水星凌日時，由于水星逆行和地球自轉方向相反，水星的視運動速度大于地球自轉，可知水星的視運動速度快于太陽，水星會自東向西追上太陽，所以水星凌日是從太陽東緣開始、西緣結束（圖10）。

2.月食

月食發生時，月球鉆入地球的影子內（圖11），此時夜半球一側的人們都可以觀測到月食，且月食是從月面東緣開始、西緣結束，這是為何？

地心視角下地影位置是不動的，但對地球上的觀測者而言，地影的相對移動方向與地球自轉方向相反，地影在西移，移動速度就是地球自轉速度，而月球的視運動速度根據上述推理可知是小于地球自轉速度的，也就小于地影的移動速度。因此，從地球上看，是影子自東向西追上了月球，月食便從月面東緣開始、西緣結束（圖12）。

綜上可知，這三種天象的視運動方向不同其實和地心視角下的天體公轉方向不同有關，多天體動態視運動的判斷技巧是根據天體公轉方向與地球自轉方向的關系，采用相對運動原理，結合圖示，化抽象為具象，化繁為簡，幫助學生建立空間想象力。

不論靜態還是動態，地球自轉都是天體觀測重要的參照因素，在靜態天體觀測中，地球自轉主要用于解決天體方位的判斷，在動態天體觀測中，則需考量地球自轉和天體自身公轉帶來的相對運動差異。

參考文獻：

［1］ 鐘華，羅瑛.天文觀測類試題常見疑難問題解析［J］.地理教育，2020（11）：30-33.

［2］ 鐘華，張文軍.天文觀測類地理試題的特點、原理及教學策略——以浙江學選考為例［J］.地理教學，2020（22）：61-64.