认识地球的宇宙环境-观测天体现象

　　１．观察月相

　　在一个月内，让学生进行月相变化观测，并画下月相变化图。从新月开始，直至４个月相完全出现一遍为止，即一个月之后。

　　２．确定月相与月球在天空中位置的关系

　　进行间隔为两周的系列观测。观测可在日落后一小时开始。在每一晴朗夜晚的同一时刻进行观测活动，并总站在同一地方。在蛾眉月出现的日期开始观测，即新月之后的２、３天（可参考年历）。在第一次观测的夜晚，要注明并画下月亮相对于明显参照物的准确位置（例如，在电视发射台尖顶正上方某处）。尽量确定月球相对于地平线的高度，可用你的拳头或伸出手指来量测（臂长之处拳头的宽度大约是１０度，把手张开，大拇指与小拇指之间的距离大约为２０度），记在你的草图上。同时要尽量准确记录月牙的方向和蛾眉月的形状。２ 小时后，重新观测月球，并注明时间。

　　每隔两周，观测一次。在此观测的基础之上，写一篇观测报告。特别要写出每晚见到的月亮形状是如何变化的？它的位置是如何变化的？它的月牙形状指向与位于西部地平线之下的太阳有何关系？月亮位置在一个晚上是如何变化的？变化的原因是什么？在不同夜晚之间，位置变化的原因又是什么？在日历上查到下弦月出现的日期，按以上方法在拂晓时观测月亮。这些观测怎么才能与晚间所做的观测统一起来呢？

　　３．观测日食

    通过观测日食，向学生们讲解日食发生的时间，日食阴影如何形成；告诉学生科学家能够收集有关日食形状、大小和日、月、地之间运动关系的情况。向学生提问，他们能否讲出证明地球形状的方法。要他们去查报纸或查找日月食发生的时间。在当地发生日食时，计划带同学在户外观测日食现象。

    注意：不要让学生正对着日食看，因为这样会损害他们的眼睛，即使戴茶色眼镜或用几层曝光胶片观测也并不安全。观测日食比较安全的方法之一就是间接地观测。让学生在一个硬纸板上扎出一个小孔，然后让他背向太阳，把纸板立在一个同学的肩膀上，使太阳影像通过小孔照在位于它前面的另一张纸上。不要让他们通过纸板上的小孔直接看太阳。

　　４．观测月食

    直接观测月食是没有危险的。让学生在地球边缘进入到月球的时刻，明白那阴影形状就是地球是球体的明显证据。即使实际看到的是圆盘状，也同样能说明问题。

　　５．太阳运动周期

    通过观测太阳黑子位置的变化，确定太阳运动周期及旋转轴的方向。

    【准备工作】

    小望远镜或双筒望远镜（至少６倍）、大纸盒子、带夹子的书写板、纸和笔

    【观测方法】

    「注意：不要通过仪器正对着太阳看。」如果使用双筒望远镜（见下图中１．４．５．ａ使用双筒望远镜所示），把它固定在盒子的前端。如果使用天文望远镜（图１．４．５．ｂ使用天文望远镜所示），还要制作一个遮光罩。在纸盒长边一侧开一个观测口。将盒子的一端向上支起，使它的后端垂直于太阳光线方向。用书写板把纸夹在盒子后端，使太阳影像能够照在纸上。目镜的聚焦和用于直接观看时有些不同（要通过调试确定）。一旦太阳影像的大小确定下来，以后观测便以此为准，并且可以在纸上提前画好大小适当的圆形。注意，用６倍双筒望远镜在１米远的目镜后面会看到５厘米直径大小的太阳影像。更高倍数的望远镜得到的影像会更大。影像的大小也是与距离目镜的远近成比例的。

    ｂ　使用天文望远镜

    图１．４．５．观测太阳黑子的位置变化

    Ａ—指向太阳Ｃ—书写板

    Ｂ—把另一个镜头遮住　Ｄ—太阳影像

    每天的同一时刻进行观测，中午最好。记录纸的放置要一致。迅速在代表太阳形状的圆上用铅笔标出每个太阳黑子的位置。然后，尽量画出它们的大小和形状。做这些工作时，需要移动记录纸。

    随着太阳的运转，每天太阳黑子的位置会发生变化。分析若干天记录图像的不同，可以确定太阳运转的速度。如果观测能持续一个月或更长时间，你还可以看到同一黑子群（组）再一次出现；另一方面，某一较大的黑子也许会消失，还可能出现新的太阳黑子。

　　６．傅科摆

　　６．１．普通傅科摆

    【准备工作】

    Ｇ形钳夹一个、滚珠轴承一个、剃刀刀片一个、无纺尼龙绳３米到３０米均可、实心橡胶球或其它可做摆锤的东西、短缝衣针一根、白纸、笔等

    【制作方法】

    在Ｇ形钳夹里面焊上滚珠轴承，把滚珠轴承固定在结实的剃刀刀片或其它坚硬的平面上（见图 １．４．６．１）。无纺尼龙线绳用来悬挂橡胶球做摆锤，这就成了一个很好的傅科摆。最好把它安置在室内。傅科摆刚开始摆动时，在地面上做个标记，几个小时后，再与这个标记做比较摆动平面看上去似乎有所改变。这当然是摆锤下面地球自转的效果。

    必须注意，傅科摆的指针（把一根短的缝衣针穿进橡胶球制成）应是垂线的延续。在一张白色硬纸上画一条参照线，再用图钉把纸片固定在地板上。固定时，一定要让参照线准确地位于处于静止状态下的摆锤指针下方。

    使傅科摆进入运动状态的方法是，把一根长些的棉线一头穿到扎进球里的小针中，一头拉到与摆锤有一定距离的地方，让这根线与参照线的方向一致并保持指针的垂直状态。然后在靠近针的地方点燃棉线，启动傅科摆。

    如果不进行多次精心的调整，很难得到精确的结果。但是观察到地球自转的效果并不困难。

　　６．２．微型傅科摆

    把一个小型傅科摆安置在一个可旋转的桌子或办公室的转椅上。让学生观察当桌子或椅子缓慢旋转时傅科摆的摆动。

　　７．太阳位置的季节变化

    Ａ．选择一个视野开阔的固定地点，准确地记录下太阳西落从视线中消失的地方（某个地面景物）。每周重复观测一次，至少进行四周，确定每天太阳位置变化的度数（测量度数时，一臂之遥握紧的拳头大约相当于１０度）。

    Ｂ．当太阳光线射进房间时，在地板或墙上标出一条线，注出阴影的边界。准确地记录下月、日和时刻。每个周末在同一时刻标出另一条线。在一年内重复这个观测，会得到有趣的结果。每周、每月标线位置的变化是地球绕太阳公转的结果。

    Ｃ．在开阔地带竖一根１５０ｃｍ长的杆子。让学生在一年的不同季节中每天测量二至三次杆影的长度。学生应该记录下每天同一时刻杆影的准确位置，标志出杆影的长度和位置。比较学期开始、冬季、春季和学期末杆影的位置和长度。

    Ｄ．写一份报告解释从地球运动的角度来说，观察到的变化说明了什么。

　　８．拍摄恒星轨迹

    如果有相机的话，拍摄地球旋转时恒星的轨迹是一项非常有趣的活动。所需物品是一架相机和胶卷，一个三角架或其它固定的支撑物，一个表或钟。在一个没有月亮的晴夜，选择一块视野开阔的地方，远离汽车灯光这类外部光线。

    尽可能地将相机对准北极星。用三角架或其它东西将相机固定。把焦距定在无限远，将光圈全部打开，快门定在长时间曝光（Ｂ 门），然后开始曝光。不间断曝光２个多小时后，把快门关上一、两分钟，注意不要移动像机。再打开快门，曝光一分钟，最后关上。这后面短时曝光用来确定曝光的终时。记录下开始和结束的时间。

    冲出的底片上，将显示出恒星围绕北极星的拱形轨迹（图１．４．８．）。可以测量较长的拱形轨迹来说明旋转的角度，并由此计算整个旋转的周期。

　　还可以把相机对准不同的方向和不同的高度进行类似的曝光。研究拍照结果，看一看所有这些是怎样说明星空的旋转。星空仿佛是一个固体的球，恒星附着在上面，整个球在以北极星为轴旋转着。

    可以用下述方法拍摄月亮（不是恒星）的轨迹。在 ２ 个小时内每隔 １０或１５分钟曝光一或二秒，或按这样有间隔的曝光直到月亮移出你的相机。千万注意别让相机移动。

    白天，可以用同样的方法记录太阳的轨迹。警告：在任何情况下，都不能通过取景器看太阳。缩小镜头光圈，避免过度曝光。

　　９．恒星的彩色轨迹

    恒星同陆地上的物体一样有着丰富的色彩，只是人们一般感觉不到．因为人眼在黑暗中对色彩的敏感性很低。快速彩色胶卷和一架至少Ｆ３．５镜头、可以长时间曝光的相机及一个牢靠的三角架可以拍下猎户座中的红星Ｂｅｔｅｌｇｅｕｓｅ，御夫座中的黄星　ＣａＰｅｌ－ｌａ和天鹅座中的金星Ａｌｂｉｒｅｏ，仙后座有两颗蓝星，一颗白星，一颗金星和一颗绿星。这本书里的简单星图可以用来辨认星座。一些业余天文学书籍中也有类似的星图。还可以使用活动星图。

    地球每小时旋转１５度，即每４分钟转１度。在地球上是很容易通过假设星球的运动来辨别地球的运动。此外，恒星还会表现出绕轴旋转。每颗天极附近的恒星都会在绕轴运动中留下一道封闭的圆形轨迹。离天极越远，圆形轨迹的半径越大，到了赤道上空，恒星的运行轨迹就变成了一条直线。

    一颗恒星是一个真实的光源，不允许相机有丝毫的移动，否则恒星的影像会成为辫子状的。按照下面的做法就可以避免这个问题出现：把相机固定在牢靠的三角架上，先用一张纸板遮住镜头。使用快门线打开快门后等待 ３秒钟，让相机稳定下来。然后移开遮挡镜头的纸板。曝光结束后，再一次先用纸板遮住镜头，再关上快门。

    注意：商业性的相片冲印部可能认不出你的底片上是什么东西，你要对他们讲明，否则他们会退回你的底片。

　　１０．拍摄星座

    Ａ．相对拍摄恒星轨迹来说，拍摄星座更具美学意义。无论用黑白胶卷还是彩色胶卷，冲洗出的相片或幻灯片都很漂亮，可以作为有效的教学手段。

    有多种方法拍摄星座，其中较好的一种介绍如下：选择一个星座，把相机安置好，使用高速黑白胶卷（４００ＡＳＡ）和光圈１１的镜头曝光３０分钟。然后遮住镜头２分钟，再打开镜头，将光圈放到４，将镜头轻轻推出。最后曝光３分多钟。在最后曝光时，用一半透明的纱帘遮住镜头，可以产生与轻推镜头同样的效果。冲洗出的相片上，可以看到星座仿佛正在空中向下跌落，每个恒星后面都拖着一个尾巴。

    Ｂ．可以在曝光不足或废弃的 ３５ 毫米电影胶片上按照各种星座的形态打孔，再投影到屏幕上或用观察器看。学生可以据此判断星座。

    还可以在一个邮寄东西用的硬纸筒上开一槽，把胶片插在槽中，举起纸筒对着灯光观看

　　１１．利用太阳确定南北方向

    Ａ．如果你手头有块表，调到当地时间。把时针指向太阳。时针和１２点夹角的平分线可以指示南北方向。

    Ｂ．如果手头没有表，可以利用一根木棍的影子判断。把一根木棍垂直插入地下，棍的影子会随着太阳的移动而移动。上午，影子会越来越短，下午又会越来越长。当影子最短时（接近中午），它的远端指的就是北。

    １．４．１２．月相和月食

    【准备工作和条件】

    手电筒或信号灯、白球一个和支撑它的架子、地球仪、一间暗室    【观察方法】

    Ａ．固定光源让光照在白球上，让学生从不同角度观察球来看新月、弦月、凸月和满月。要求学生结合实际月相的变化写一个关于实验现象的报告。旋转地球仪，看看月球升落时间与月相的密切关系。例如，上弦月大约在中午升起，太阳下山时达到最高点，午夜时落下。

    图１．４．１２．中，位于地球表面Ａ的位置观察时，月球位于高空；另一个观察者同时从Ｂ点观察，就会发现月球位于天空低的多的位置。

    图１．４．１２．　　月球在天空中的高度与观察者的关系

    Ｂ．可以用同样的教具演示日、月食。把月球放在地球仪的阴影里可以模拟月食（部分或全部）。把月球放在光源和地球仪之间可以在地球上产生阴影。用这种方法可以表明，能看见日食的地区不像能看见月食那么大（参见实验１．４．３．和１．４．４．中的图）。

    日、月食演示也可以作为一种活动。学生们都可以用泥土做这些地球和月球模型，然后在手电筒光线中进行模拟。

    １．４．１３．日食演示

    【准备工作】

    灯泡一个、不同尺寸的木板三块、直径为２．５厘米的木球或其它可替代球一个、缝衣针一根、红蜡笔、自行车车条一根或粗铁丝一根

    【制作方法】

    用较大木板做底板。把第二块木板涂黑，在中部适当的位置上打一个直径５厘米的圆洞，将它固定在底板的一侧。把灯泡放在这块木板的外侧（见图 １．４．１３．）代表太阳。在圆洞背向“太阳”的一面用红蜡笔沿洞的边缘涂成日冕状。

    用木球代表月球，把它与缝衣针安在一起，固定在一木条上。将自行车车条的一端固定在木条的中部，供调整“月球”的位置用。在第三块木板上打若干个观测孔，将它固定在底板的另一侧，使观察者通过这些孔洞进行观察。日冕只是在日全食时才能看见。

    图１．４．１３．　　模拟日食

    １．４．１４．为什么不是每个新月和满月时都发生月食或日食？

    图 １．４．１４．中的模型是由纸板剪的圆盘、小珠子、弹子、滚珠轴承或制作模型用粘土构成。上述东西用来代表太阳、地球和月球。月球的轨道倾斜的角度要合适，使月球运动时经常在地球影子的上方或下方，或在地球与太阳中间通过。每个代表月球轨道的半圆纸盘的倾斜方向要相同。倾斜的角度可能不得不夸大些，以便更清楚地表现它们之间的关系。如果有必要，可以在代表地球轨道平面的纸板上开些槽，把代表月球轨道的圆盘插进去，这样可以同时显示地球轨道平面上、下的情况。

    图１．４．１４　演示日、月食的模型

    Ａ—日食Ｂ—月食Ｃ—无食

    １．４．１５．四季成因

    【准备工作】

    空心橡胶球如网球四个、１５厘米长的铁丝或毛衣针一根、灯泡一个或蜡烛一支、纸板一块

    【制作和演示方法】

    把铁丝或毛衣针穿过球身代表地轴。在纸板上画一个直径约４０厘米的圆圈代表地球轨道。纸板中心上方约１５厘米高的地方挂灯泡代表太阳，也可用点燃的蜡烛代替。把代表地球的四个球依次放在图１．４．１５．中标出的位置上，让地球的轴倾斜约２３．５度。观察球体上总是被光照亮的部分。观察太阳光线直射的地方。分别观察四个位置上，哪个半球受到太阳光的斜射。

    让四个球的轴垂直于桌面，重做上述实验，观察当地轴不倾斜时产生的现象（也可参考实验１．２．５．）。

    图１．４．１５．冬季与夏季

    Ａ—３月２０日　Ｂ—６月２１日　Ｃ—９月２３日　Ｄ—１２月２１日Ｆ—北回归线　Ｇ—南回归线　Ｈ—北极圈　Ｉ—南极圈

    １．４．１６．一些地方昼夜长短不同的原因

    画一个大圆代表地球轨道，画两条通过圆心的互相垂直的直线。在直线与圆相交的地方逆时针方向标上３月２０日、６月２１日、９月２３日、１２月２１日。这些点是这些日期时地球与太阳的相对位置。在６月２１日的位置上画一小圆表示地球。北极画在离圆心１／３半径长，朝向太阳的位置。其它日期或在地球轨道的其它位置（可用量角器确定），地球和北极的方向都和它相同（见图１．４．１６．）。北极圈、北回归线圈和赤道也可以画在表示地球的圆上。这样，通过地球圆圈中心并与地球太阳连线垂直的线就是晨昏线。

    从这张图上，可以为不同纬度的任何一天估算白天的长度。例如８月１日在北极圈上日长将是１８小时，到了１１月１日只有６小时。

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