初中科学/3.2 光影变幻与日月食
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这节课你将学到: |
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还记得小时候我们常玩的“踩影子”游戏吧?有时我们在阳光下玩这个游戏,有时在灯光下。在夜晚的灯光下,我们会发现影子的方向变来变去、长度变大变小、颜色变浓变淡,真有意思!那影子(Shadow)又是怎么回事呢?(图3-9)
我们上一节提到了“光”,光(Light)是什么?光的传播有多快?你知道吗?
有的时候,太阳和月亮会突然消失不见,那种情况分别是日食(Solar eclipse)和月食(Lunar eclipse)。这又是怎么回事?(图3-10)
原来,这些都和光现象有关。让我们走进那光影变幻的世界,去探索光的奥秘吧!
光的产生与传播
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光是什么?通俗地说,光是能量的一种表现形式,这种能量能够激起人的视觉。人们认为光既有粒子(光子( Photon)(图3-12))的特性也有波的特性。
能够发出光的物体叫光源(Light source)。常见的光源有太阳、蜡烛、萤火虫、电灯等。
光不需要任何介质就可以传播,因此光既是在真空中也能传播。一般情况下光的传播路径总是直线,但如果介质改变或者受到引力等的影响光的传播路径也会改变。光只能穿过透明物质或半透明物质,不能穿过不透明物质。
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图3-14:蜡烛。
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图3-15:萤火虫。
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图3-16:电灯。
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真空中光的传播速度为299 792 458 m/s,这个数值恒定不变,一般用表示,近似可认为是3.0×108 m/s。空气中光的传播速度略小于真空中光的传播速度,在任何透明或半透明的介质比如玻璃和水中,光速会降低。按照这个速度,光一年大概可以传播9.46×1015 m,这个长度可以称作1光年。光年是一个距离单位,符号为ly。距离太阳最近的恒星比邻星,距离我们大约4.22 ly。
光的直线传播原理有一个利用就是小孔成像。用一个带有小孔的板遮挡在屏幕与物之间,屏幕上就会形成物的倒像,我们把这样的现象叫小孔成像。前后移动中间的板,像的大小也会随之发生变化。这种现象反映了光线直线传播的性质。 中国战国时期的《墨子》一书叙述了小孔成像原理。(图3-18)
光与影
[编辑]我们知道,光传播虽然不需要介质,但无法穿过不透明的物体。如果光在传播过程中被不透明物体阻隔,光就会因为被挡住而无法传播。这时不透明物体后就会找不到光,这就产生了影子。
那么光与影有什么关系呢?我们可以通过做实验来了解光与影存在的关系。
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我们发现,物体的影子方向总在光源的相反方向。物体离光源越远影子越长。如果物体垂直树立在光源正下,我们将难以发现它的影子。(图3-18)
日月食的奥秘
[编辑]有时,太阳和月亮会突然消失不见。你知道这是怎么回事吗?这就是因为发生了日食或月食。
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图3-20:2017年8月20日日全食,摄于美国怀俄明州克罗哈特。
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图3-21:2009年7月22日日食的日偏食,摄于中国杭州。
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图3-22:2010年1月15日日环食,摄于中国济南。
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图3-23:月全食,当地时间2003年11月8日于美国密歇根州大急流市拍摄。
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图3-24:月偏食。
当月亮运行到地球和太阳之间,月球会遮住太阳的光芒,这时落在月球影子中的人就无法看见太阳,这就产生了日食。如果月球完全遮住太阳,叫日全食(图3-20),如果月球只遮住太阳的一部分叫日偏食(图3-21),如果月球距离地球比较远而只能遮住月球的中心,这种情况就叫日环食(图3-22)。极罕见的情况还有连续发生日环食和日全食的全环食。(日食成因图解见图3-25。)
当地球运行到月球与太阳之间,月球有可能走入地球的影子内。由于月球本身不发光,因此人们无法看到月球,或看到月球呈现古铜色,这就是月食。如果整个月球完全进入地球阴影,叫月全食(图3-23),如果只有部分月球进入地球阴影,叫月偏食(图3-24)。(月食成因图解见图3-26。)
当日全食太阳完全被月球遮住时,我们可以直接用肉眼观测。但在其他时候比如日偏食时,太阳光度依然很强。这时我们可以使用专用观测镜,也可以使用小孔成像的方法,以一张白纸作为屏幕进行观测。
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课后自主学习
[编辑]- 设计一个实验,证明光沿直线传播。
- 你听说过织女星(天琴座α)吗?查找关于它的资料,回答:我们所看到的织女星是它什么时候的样子?
- 搜集近期能观测到的日月食,按正确的方法进行观测,写观测报告。