京深两地日食观测引发的思考

叶喆 高晓燕

2020年6月21日，难得一遇的“金边日食”引起了大家的关注。非天文爱好者没有专业的观测设备，采用各种方法观察日食：有的在纸盒上打孔，做成简易太阳眼镜观察;有的举起家里的漏勺，利用小孔成像的原理观察;还有的用望远镜套上太阳滤光镜，采取凸透镜成像的原理观察。当然最真实的观测记录还要数镜头上安装巴德膜，利用相机拍照记录。

趣味发现

科学教师自然是不能錯过这千载难逢的饕餮盛宴。当我们把北京和深圳两地的日食观测记录进行对比观察的时候，有了一些有趣的发现。

首先，无论是北京还是深圳，看到的日食过程，都是太阳右下角开始初亏，到左上角复圆，而且在北京和深圳两地看到的都是日偏食。

其次，食甚时北京看到的太阳被遮挡的面积小，深圳看到的太阳被遮挡的面积大。我们进一步发现：在北京看到的是月球从西向东偏太阳中心线以下斜着穿过，形成“斜下穿”的日偏食;在深圳看到的则是月球从西向东偏太阳中心线以上斜着穿过，形成“斜上穿”的日偏食（参见图5）。

原因探寻

作为科学教师，在教学中经常会叮嘱学生在科学探究中要细致地观察、认真地比较，并在比较中找到相同点与不同点，进而研究产生这些现象的原因，这是学生通过科学学习而应具备的科学素养之一。那么，是什么原因造成在北京看到“斜下穿”而在深圳看到“斜上穿”呢？于是，我们在科学教师交流群里展开讨论，做出如下解释。

1.关于日食的成因

由于月球运行到地球和太阳中间，在地球上留下了月球的阴影，处在阴影区的人就会观测到日食。本次日食是日环食，由“日环食成因”（如图1）我们可知：处在半影区的人会观测到日偏食，处在伪本影区的人会观测到日环食。我们再来看“日食带”，这张图（如图2）中间深色线的区域是伪本影区，也就是能够观测到“金边日食”的区域，这是一个相对来说很狭窄的日环食带;半影区则是一个相对比较宽的区域。北京、深圳分别在日环食带的两侧，处在半影区域，所以两地观测到的是日偏食。

2.关于日食发生的遮挡过程和方向

从北京、深圳两地日食的过程来看，总体趋势都是月球先在西边接近太阳，遮挡出阴影，造成初亏，再朝东边离开，从而复圆。原因在于月球的公转方向，正是由于月球自西向东绕地球公转，所以各地日食带的人看到的日食都是西边初亏，东边复圆。

3.关于观测地点与日食带的位置关系

如图2所示，北京的地理位置离日环食带较远，而深圳的地理位置离日环食带较近，所以深圳看到的日食遮挡面积比北京大，食甚时接近日环食。

这一点从2019年12月26日的北京日食观测记录也能得到佐证（如图3）。2019年在北京也是观测到日偏食，被遮挡的阴影面积比2020年6月21日观测的日食阴影面积要小很多。我们再来比较两次的日食带图片，2019年北京距离伪本影区更远一些（如图4），所以被遮挡的阴影面积更小一些。

仔细观察2020年6月21日深圳和北京两地日偏食的过程，发现北京和深圳看到的日偏食的方位和阴影面积的差别很大。北京的日偏食是月球由西向东在太阳的小面积“斜下穿”掠过，而深圳的日偏食则月球由西向东在太阳的大面积“斜上穿”掠过。

为什么月球会“扫过”太阳不同的面积呢？这是北京和深圳的经纬度差异导致的：北京位于北半球的东八区，中心位置是东经116°20′、北纬39°56′，深圳是东经114°05′、北纬22°38′，两地分属日食伪本影区的南北两侧，都在半影区内，且深圳比北京更加靠近伪本影区。正是两地方位的差异，导致了在两地观测的日食现象大大不同。

我们可以做一个同一时刻不同地区的日食的模拟实验来进行验证，选取红色气球模拟太阳，黄色塑料球模拟月球，如图5所示：这是同一时刻的三个定格镜头，图a是在模拟伪本影区的人，刚好在那一时刻看到日环食图像;与此同时，图b是模拟在深圳的人，位于偏南地理位置看到的日偏食图像;而图c则是模拟在北京的人，位于偏北位置同时看到的日偏食图像。

我们通过模拟实验可以看到，在伪本影区的人看到了日环食，即月球由西向东斜中穿过太阳;处在日食带南侧的人则看到日偏食，月球由西向东斜上穿过太阳;处在日食带北侧的人也看到日偏食，但看到的是月球由西向东斜下穿过太阳。这个实验很好地模拟了实际现象，证实了地理方位相对于伪本影区的差异是导致不同地区的人看到的日食图景大不相同的主要原因（发生日全食时，则主要参考观测地方位与本影区的差异）。

在这次北京、深圳日食观测的交流活动中，我们如实地记录了观测到的现象，并通过观察、比较发现了北京、深圳两地观测现象的相同点与不同点。我们还通过资料查询、分析的方法，在交流讨论的过程中发现了产生这些现象的原因。但是由于宇宙天体的宏观性，也有一些道理仅仅凭借空间想象很难建立正确的认知，还要借助模拟实验，帮助建构空间结构模型，利用科学概念解释事实。这次日食观测使我们这些科学教师，能像科学家一样采用科学研究的方法探索问题，是一次科学探究活动的实战历练。