日全食与高中物理

阎如顺 陈超

日全食与高中物理

阎如顺 陈超

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

2009年7月22日发生的日全食是多年来观测条件最好的一次日全食。本次日全食持续时间长，涉及区域广，从日食亏到复原长达2个小时，其中全食持续时间最长可达6分钟左右，全食带覆盖印度中部、缅甸以及我国长江流域等广大地区，偏食带则覆盖我国全境。日全食是指当月球运行到太阳和地球之间，月球挡住全部太阳光球的天象（俗称天狗食日）。一次日全食的过程可以分为5个时期：初亏、食既、食甚、生光、复圆。

日全食是一个天文现象，但在物理教学中常会提及。物理教材中有“光的直线传播”这一知识内容，日全食就是光的直线传播的很好的教学资源。

1 日全食模拟实验

在黑板上画上一个圆，用粉笔填涂满白色，用它来表示太阳；每一个学生动手制作一个圆形的小纸片，用来表示月亮；眼睛就是人在地球上的一个观察点。手持小纸片（月亮）使其处于自己的眼睛和黑板上的“太阳”之间，调整小纸片的位置，观察黑板上所画的圆，小纸片的位置不同，黑板上的圆被遮挡之后露出的部分就不一样：有的位置是一个月牙状的露在外面被看到（日偏食）；有的位置是整个圆被小纸片遮挡（日全食）；有的位置是黑板上圆的外面一圈露在外面（日环食）。手持小纸片让其从左侧缓慢地移动到右侧，还能够看到日食发生的整个过程。这样一个模拟实验，非常简单易做，学生也很容易理解，在此基础上讲解日食的行程机理和光的直线传播特性，学生兴趣盎然，掌握得也很牢固。

观察日全食时，若没有观测眼镜，最安全简便的方法是利用“小孔成像”看日全食。即在一张厚纸上，用针扎一些直径小于1毫米的小孔，对向太阳，阳光透过小孔在地上形成影子，就可以看到许多太阳像了。

2 小孔成像

两千多年以前，我国学者韩非，在他的书里记载了一个有趣的故事。有人请了一个画匠为他画一张画。3年以后，画匠告诉他：“画成了！”他一看，八尺长的木板上只涂了一层漆，什么画也没有，便大发脾气，认为画匠欺骗了他。画匠说：“请你修一座房子，房子要有一堵高大的墙，再在这堵墙对面的墙上开一扇大窗户。把木板放在窗上，太阳一出来，你在对面的墙上就可以看到一幅图画。”他半信半疑，照画匠的话去办。果然，在屋子的墙壁上出现亭台楼阁和往来车马的图像，好像一幅绚丽多彩的风景画。尤其奇怪的是，画上的人和车还在动，不过都是倒着的！

在一间黑暗的小屋朝阳的墙上开一个小孔，人对着小孔站在屋外，屋里相对的墙上就出现一个倒立的人影。为什么会有这奇怪的现象呢？墨家解释说：光穿过小孔如射箭一样，是直线行进的，人的头部遮住了上面的光，成影在下边；人的足部遮住了下面的光，成影在上边，就形成倒立的影。这是对光直线传播的第一次科学解释。

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，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。

3 光的直线传播性质

光的直线传播性质，在我国古代天文历法中得到广泛的应用。祖先制造了圭表和日晷，测量日影的长短和方位，以确定时间、冬至点、夏至点；在天文仪器上安装窥管，以观察天象，测量恒星的位置。此外，我国很早就利用光的这一性质，发明了皮影戏。汉初齐少翁用纸剪的人、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。皮影戏到宋代非常盛行，后来传到西方，引起轰动。

物理学研究的是自然界最基本的运动规律，而自然界中的物理现象蕴藏着无穷的奥秘。让学生从身边熟悉的生活现象中探究并认识物理规律，同时将学生认识的物理知识和科学研究方法和社会实践结合起来，让他们体会到物理学在生产生活中的应用，这不仅可以增加学生学习物理的乐趣，而且还将培养学生良好的思维习惯和科学探究能力。在新的课程标准中确立全新的物理教学理念，它明确规定在物理教学中教师应“注重全体学生的发展，改变学科本位的观念；从生活走向物理，从物理走向生活”。

山东省淄博市临淄区第三中学）