應(yīng)用相對運(yùn)動原理巧解多天體動態(tài)觀測問題探析

摘要：動態(tài)天體視運(yùn)動是指疊加了時(shí)間屬性的天體觀測，不再是單一考查某一時(shí)刻的天象，開始關(guān)注天體位置隨時(shí)間的變化。難度更大的動態(tài)天體觀測是探討多個(gè)天體間相對位置的變化。日食是從太陽西緣開始、東緣結(jié)束，水星凌日是從太陽東緣開始、西緣結(jié)束，月食是從月球東緣開始、西緣結(jié)束，這三種天象的視運(yùn)動方向不同與地心視角下的天體公轉(zhuǎn)方向不同有關(guān)，采用相對運(yùn)動原理結(jié)合視運(yùn)動圖示可以清晰直觀地反映出來。關(guān)鍵詞：日食；月食；水星凌日；相對運(yùn)動；多天體動態(tài)觀測天體觀測在歷年高考題中屢見不鮮，按觀測對象可以分為“太陽視運(yùn)動”和“其他天體視運(yùn)動”兩類，按觀測點(diǎn)可以分為“地球視角”和“其他天體視角”兩類。天體觀測類知識具有較強(qiáng)的抽象性，學(xué)生需要運(yùn)用一定的數(shù)理思維、空間想象力和時(shí)空變化思維才能找到正確的解題思路。［1］一、天體觀測考向分析1.天體觀測試題統(tǒng)計(jì)以浙江卷為例，根據(jù)歷年天體觀測高考試題分析（表1），太陽視運(yùn)動的考點(diǎn)集中在“方位判斷”“日影變化”“高度計(jì)算”等，其他天體視運(yùn)動的考點(diǎn)集中在“能否觀測”“觀測時(shí)間”“觀測位置（包括天體高度、方向、排列）”等。天體時(shí)空方位的判斷需要結(jié)合地球、太陽、天體三者的位置關(guān)系進(jìn)行日心視角到地平視角的切換，對學(xué)生空間建模能力要求較高，也是天體觀測的難點(diǎn)所在。2.天體觀測解題技巧總結(jié)天體觀測的解題技巧：一是不同空間系視角的靈活切換，常用的觀測視角有日心視角、地平視角、其他天體視角等；二是不同空間系方向的判斷，如太陽系側(cè)、俯視圖和地月系側(cè)、俯視圖需要用公轉(zhuǎn)方向判斷，地平上的東西方向則常用地球自轉(zhuǎn)方向來判斷；三是天體間的相對位置，如識記太陽系八大行星的排列順序，東西大距、沖日、合日、日月食等不同天象下天體的相對位置；四是觀測時(shí)間常結(jié)合地球晨昏線進(jìn)行判斷。二、動態(tài)天體觀測判斷高中地理新課程標(biāo)準(zhǔn)的綜合思維素養(yǎng)水平二強(qiáng)調(diào)能夠從空間和時(shí)間綜合的角度分析地理事象的發(fā)生、發(fā)展和演化。除關(guān)注靜態(tài)天體觀測外，還要重視動態(tài)的天體視運(yùn)動。［2］動態(tài)天體視運(yùn)動是指疊加了時(shí)間屬性的天體觀測，不再是單一考查某一時(shí)刻的天象，開始關(guān)注天體位置隨時(shí)間的變化，在近年高考、模擬題中不斷出現(xiàn)。例1.（2020年1月浙江卷第20題）若觀測者在地球某地先后觀測到月球、水星經(jīng)過太陽表面的天象，則第二天正午三大天體在星空中的位置可能是圖1中的參考答案：D解析：從地心視角看，月球公轉(zhuǎn)方向與水星公轉(zhuǎn)方向不同，造成第二天的排列差異（圖2）。例2.（2022年1月浙江卷第19題）攝影愛好者在南半球某地朝西北固定方向拍攝太陽照片，拍攝時(shí)間為K日及其前、后第8天的同一時(shí)刻。圖3為合成后的照片，圖4為地球公轉(zhuǎn)軌道示意圖。參考答案：B解析：K日前、后第8天同一時(shí)刻的太陽位置重疊，說明這兩天的太陽視運(yùn)動軌跡重合，太陽高度一致，太陽直射點(diǎn)位置相同，太陽直射點(diǎn)的緯度變化以夏至、冬至對稱，說明K日為夏至或冬至前后，結(jié)合地球公轉(zhuǎn)軌道示意圖，只有②快到遠(yuǎn)日點(diǎn)7月初，為夏至點(diǎn)。解答動態(tài)天體觀測題需要學(xué)生結(jié)合天體的運(yùn)動規(guī)律，進(jìn)行空間建模，復(fù)現(xiàn)天體的運(yùn)行軌跡。難度更大的動態(tài)天體觀測是探討多個(gè)天體間相對位置的變化，學(xué)生往往不得其法，難以下手。如日食、月食、水星凌日是由于地球、太陽、天體三者相對位置變化產(chǎn)生的動態(tài)天象，網(wǎng)絡(luò)上關(guān)于其成因的科普文章與視頻很多，筆者將不再贅述（表2）。在運(yùn)動方向上，日食是從太陽西緣開始、東緣結(jié)束，水星凌日是從太陽東緣開始、西緣結(jié)束，月食是從月球東緣開始、西緣結(jié)束（圖5），什么原因造成了三者不同的動態(tài)方向？三、相對運(yùn)動與多天體動態(tài)觀測1.日食與水星凌日日食與水星凌日的天體分布位置相似，均是天體居于地球和太陽之間，三者基本處于同一條直線上產(chǎn)生的天文現(xiàn)象（圖6）。從地球上可觀測到月球和水星的暗面從日面經(jīng)過，可二者的視運(yùn)動方向截然相反，日食時(shí)，地球觀測到月球由西向東經(jīng)過日面，而水星凌日是水星由東向西經(jīng)過日面，這是為何？在日食虧缺順序上，很多教師利用圖7進(jìn)行解釋——月球自西向東公轉(zhuǎn)經(jīng)過日面，因此，日食從太陽西緣開始、東緣結(jié)束。但是，圖7中地心視角與日心視角混合，地球自轉(zhuǎn)和月球公轉(zhuǎn)夾雜，不少學(xué)生疑惑從地球上看過去，月球和太陽一樣做東升西落運(yùn)動，為何圖7所示月球是自西向東運(yùn)動？日食持續(xù)時(shí)間短暫，月球公轉(zhuǎn)角度應(yīng)該很小，為何圖7忽略地球自轉(zhuǎn)，只考慮月球公轉(zhuǎn)的影響？要想清楚解答這個(gè)問題，首先要明確這里的天體視運(yùn)動都是指地球觀測者觀測到的天體運(yùn)動，因此，所有的天體觀測都必須落在地面觀測者視角。由于太陽系內(nèi)大部分天體的公轉(zhuǎn)角速度都遠(yuǎn)小于地球自轉(zhuǎn)角速度，所以天體視運(yùn)動主要由地球自轉(zhuǎn)引起。在地面的觀測者看來，地球靜止不動，其他天體都圍繞地軸做東升西落的相對運(yùn)動，這就是“天體周日視運(yùn)動”。那么天體的視運(yùn)動速度和地球自轉(zhuǎn)速度是否一樣都是15°/h？答案是否定的，因?yàn)樘祗w自身的公轉(zhuǎn)也會影響到天體的視運(yùn)動速度，當(dāng)天體公轉(zhuǎn)方向與地球自轉(zhuǎn)方向一致時(shí)，天體視運(yùn)動速度會減慢，若天體公轉(zhuǎn)方向與地球自轉(zhuǎn)方向相反，天體視運(yùn)動速度會加快。要解釋日食、水星凌日的運(yùn)動方向，可以利用太陽、月球、水星的視運(yùn)動速度差異。由于地球公轉(zhuǎn)視角下太陽的位置恒定不動，所以太陽的視運(yùn)動速度就是地球的自轉(zhuǎn)速度，而月球是自西向東繞地球公轉(zhuǎn)，與地球自轉(zhuǎn)方向一致，與其視運(yùn)動方向相反，所以，月球的視運(yùn)動速度小于地球自轉(zhuǎn)速度。由此可知，太陽的視運(yùn)動要快于月球，因此，在地面觀測者看來，“日食”發(fā)生時(shí)，是太陽自東向西追上了月球，所以日食是從太陽西緣開始、東緣結(jié)束（圖8）。水星凌日發(fā)生時(shí)，也是地內(nèi)行星行進(jìn)到下合位置時(shí)，從地心視角看，會出現(xiàn)行星逆行的現(xiàn)象，即水星自東向西的視覺倒退現(xiàn)象（圖9）。水星凌日時(shí)，由于水星逆行和地球自轉(zhuǎn)方向相反，水星的視運(yùn)動速度大于地球自轉(zhuǎn)，可知水星的視運(yùn)動速度快于太陽，水星會自東向西追上太陽，所以水星凌日是從太陽東緣開始、西緣結(jié)束（圖10）。2.月食月食發(fā)生時(shí)，月球鉆入地球的影子內(nèi)（圖11），此時(shí)夜半球一側(cè)的人們都可以觀測到月食，且月食是從月面東緣開始、西緣結(jié)束，這是為何？地心視角下地影位置是不動的，但對地球上的觀測者而言，地影的相對移動方向與地球自轉(zhuǎn)方向相反，地影在西移，移動速度就是地球自轉(zhuǎn)速度，而月球的視運(yùn)動速度根據(jù)上述推理可知是小于地球自轉(zhuǎn)速度的，也就小于地影的移動速度。因此，從地球上看，是影子自東向西追上了月球，月食便從月面東緣開始、西緣結(jié)束（圖12）。綜上可知，這三種天象的視運(yùn)動方向不同其實(shí)和地心視角下的天體公轉(zhuǎn)方向不同有關(guān)，多天體動態(tài)視運(yùn)動的判斷技巧是根據(jù)天體公