日全食與高中物理

閻如順 陳超

日全食與高中物理

閻如順 陳超

10.3969/j.issn.1671-489X.2010.25.200

2009年7月22日發生的日全食是多年來觀測條件最好的一次日全食。本次日全食持續時間長，涉及區域廣，從日食虧到復原長達2個小時，其中全食持續時間最長可達6分鐘左右，全食帶覆蓋印度中部、緬甸以及我國長江流域等廣大地區，偏食帶則覆蓋我國全境。日全食是指當月球運行到太陽和地球之間，月球擋住全部太陽光球的天象（俗稱天狗食日）。一次日全食的過程可以分為5個時期：初虧、食既、食甚、生光、復圓。

日全食是一個天文現象，但在物理教學中常會提及。物理教材中有“光的直線傳播”這一知識內容，日全食就是光的直線傳播的很好的教學資源。

1 日全食模擬實驗

在黑板上畫上一個圓，用粉筆填涂滿白色，用它來表示太陽；每一個學生動手制作一個圓形的小紙片，用來表示月亮；眼睛就是人在地球上的一個觀察點。手持小紙片（月亮）使其處于自己的眼睛和黑板上的“太陽”之間，調整小紙片的位置，觀察黑板上所畫的圓，小紙片的位置不同，黑板上的圓被遮擋之后露出的部分就不一樣：有的位置是一個月牙狀的露在外面被看到（日偏食）；有的位置是整個圓被小紙片遮擋（日全食）；有的位置是黑板上圓的外面一圈露在外面（日環食）。手持小紙片讓其從左側緩慢地移動到右側，還能夠看到日食發生的整個過程。這樣一個模擬實驗，非常簡單易做，學生也很容易理解，在此基礎上講解日食的行程機理和光的直線傳播特性，學生興趣盎然，掌握得也很牢固。

觀察日全食時，若沒有觀測眼鏡，最安全簡便的方法是利用“小孔成像”看日全食。即在一張厚紙上，用針扎一些直徑小于1毫米的小孔，對向太陽，陽光透過小孔在地上形成影子，就可以看到許多太陽像了。

2 小孔成像

兩千多年以前，我國學者韓非，在他的書里記載了一個有趣的故事。有人請了一個畫匠為他畫一張畫。3年以后，畫匠告訴他：“畫成了！”他一看，八尺長的木板上只涂了一層漆，什么畫也沒有，便大發脾氣，認為畫匠欺騙了他。畫匠說：“請你修一座房子，房子要有一堵高大的墻，再在這堵墻對面的墻上開一扇大窗戶。把木板放在窗上，太陽一出來，你在對面的墻上就可以看到一幅圖畫。”他半信半疑，照畫匠的話去辦。果然，在屋子的墻壁上出現亭臺樓閣和往來車馬的圖像，好像一幅絢麗多彩的風景畫。尤其奇怪的是，畫上的人和車還在動，不過都是倒著的！

在一間黑暗的小屋朝陽的墻上開一個小孔，人對著小孔站在屋外，屋里相對的墻上就出現一個倒立的人影。為什么會有這奇怪的現象呢？墨家解釋說：光穿過小孔如射箭一樣，是直線行進的，人的頭部遮住了上面的光，成影在下邊；人的足部遮住了下面的光，成影在上邊，就形成倒立的影。這是對光直線傳播的第一次科學解釋。

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，把這樣的現象叫小孔成像。前后移動中間的板，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。

3 光的直線傳播性質

光的直線傳播性質，在我國古代天文歷法中得到廣泛的應用。祖先制造了圭表和日晷，測量日影的長短和方位，以確定時間、冬至點、夏至點；在天文儀器上安裝窺管，以觀察天象，測量恒星的位置。此外，我國很早就利用光的這一性質，發明了皮影戲。漢初齊少翁用紙剪的人、物在白幕后表演，并且用光照射，人、物的影像就映在白幕上，幕外的人就可以看到影像的表演。皮影戲到宋代非常盛行，后來傳到西方，引起轟動。

物理學研究的是自然界最基本的運動規律，而自然界中的物理現象蘊藏著無窮的奧秘。讓學生從身邊熟悉的生活現象中探究并認識物理規律，同時將學生認識的物理知識和科學研究方法和社會實踐結合起來，讓他們體會到物理學在生產生活中的應用，這不僅可以增加學生學習物理的樂趣，而且還將培養學生良好的思維習慣和科學探究能力。在新的課程標準中確立全新的物理教學理念，它明確規定在物理教學中教師應“注重全體學生的發展，改變學科本位的觀念；從生活走向物理，從物理走向生活”。

山東省淄博市臨淄區第三中學）