動手測量太陽直徑

◎文/圖 中國科學院國家天文臺 郭紅鋒

動手測量太陽直徑

◎文/圖 中國科學院國家天文臺 郭紅鋒

太陽有多大？相當于30萬個地球那么大。要測量出這個龐然大物的直徑可不容易。

別急，讓我們利用下面的小孔成像知識，你就可以親手測量太陽直徑啦。

光在空氣中沿直線傳播，這可以從物體的影子來證明，例如一束光照射到不透明的物體上，物體的后方就會呈現出影子。

小孔成像就是光沿著直線傳播的結果。用一個帶有小孔的板子遮擋在屏幕與物體之間，屏幕上就會形成物體的倒像，我們把這樣的現象叫小孔成像。這種現象反映了光沿直線傳播的性質。如小孔成像示意圖所示，光線1（火焰頭）通過小孔成像到了下邊，光線3（蠟燭底）通過小孔成像到了上邊，整個成像是倒立的實像。

我們利用小孔成像原理，可以測量太陽直徑等有價值的科學數據。

小孔成像示意圖

請準備：

1. 準備材料：剪刀、膠水、尺子、A4白紙若干張、直徑5厘米圓形（或方形）白紙2片、縫衣針（或鉛筆）；

2. 把A4白紙長邊卷成直徑2～3厘米的長筒，如圖1，然后把邊緣粘合；

圖1：制作長筒

3. 用直徑大于圓筒（例如4～5厘米）的白紙屏分別粘在紙筒兩端，并在一端的白紙屏中心用縫衣針（或鉛筆尖）扎一個直徑約1毫米的小孔，如圖2。

測量與計算

1.在陽光下，把做好的小孔成像紙筒，扎孔的一端指向太陽，眼睛在后端紙屏上觀看太陽的像斑。注意眼睛、紙筒和太陽要成一條直線，此時你會在紙筒后端的紙屏上看到一個亮的小圓斑，這就是太陽通過小孔在紙屏上成的像，如圖3；

圖3：小孔成像實驗

2.你也可以把做好的小孔實驗紙筒放在桌子上，找一個墊物讓紙筒傾斜向太陽，調整傾斜度直至后端紙屏上出現太陽的像斑（圓斑），如圖4；

圖4：當紙筒對準太陽時，后端紙屏上出現的太陽像斑

調節的方法：

1. 左右方向調，使紙筒對準太陽方向；

2. 墊物在紙筒前后移動，使紙筒傾斜（高低）角度變化，直至紙筒上部表面的亮光逐漸褪去，使紙筒的傾斜度與太陽高度保持一致，這時在后端紙屏上就會看到太陽的像斑了。

3.用尺子量出圓斑的直徑，記錄數據，如圖5；想一想：

圖5：用尺子量出圓斑的直徑

把你的計算結果與科學家給出的太陽直徑的精確數據（1392000千米）進行比較，看看你的誤差有多大？

4.計算太陽直徑：

根據圖6，用三角形相似的原理，可以列出以下算式算出直徑：

D（太陽直徑）=d×H/h

這里H是地球到太陽的距離（我們采用日地平均距離1.5億千米代入）；h是兩個紙屏間的距離，我們實驗中用的A4紙有規范尺寸（210mm×297mm），所以h就是A4紙長邊的長度，即297毫米；而d是太陽像斑的直徑，是我們實驗測量的數據。請把這3個數據換算成統一的單位（例如千米或毫米），然后代入算式計算。

圖6：算出太陽直徑