应用相对运动原理巧解多天体动态观测问题探析

摘要：动态天体视运动是指叠加了时间属性的天体观测，不再是单一考查某一时刻的天象，开始关注天体位置随时间的变化。难度更大的动态天体观测是探讨多个天体间相对位置的变化。日食是从太阳西缘开始、东缘结束，水星凌日是从太阳东缘开始、西缘结束，月食是从月球东缘开始、西缘结束，这三种天象的视运动方向不同与地心视角下的天体公转方向不同有关，采用相对运动原理结合视运动图示可以清晰直观地反映出来。关键词：日食；月食；水星凌日；相对运动；多天体动态观测天体观测在历年高考题中屡见不鲜，按观测对象可以分为“太阳视运动”和“其他天体视运动”两类，按观测点可以分为“地球视角”和“其他天体视角”两类。天体观测类知识具有较强的抽象性，学生需要运用一定的数理思维、空间想象力和时空变化思维才能找到正确的解题思路。［1］一、天体观测考向分析1.天体观测试题统计以浙江卷为例，根据历年天体观测高考试题分析（表1），太阳视运动的考点集中在“方位判断”“日影变化”“高度计算”等，其他天体视运动的考点集中在“能否观测”“观测时间”“观测位置（包括天体高度、方向、排列）”等。天体时空方位的判断需要结合地球、太阳、天体三者的位置关系进行日心视角到地平视角的切换，对学生空间建模能力要求较高，也是天体观测的难点所在。2.天体观测解题技巧总结天体观测的解题技巧：一是不同空间系视角的灵活切换，常用的观测视角有日心视角、地平视角、其他天体视角等；二是不同空间系方向的判断，如太阳系侧、俯视图和地月系侧、俯视图需要用公转方向判断，地平上的东西方向则常用地球自转方向来判断；三是天体间的相对位置，如识记太阳系八大行星的排列顺序，东西大距、冲日、合日、日月食等不同天象下天体的相对位置；四是观测时间常结合地球晨昏线进行判断。二、动态天体观测判断高中地理新课程标准的综合思维素养水平二强调能够从空间和时间综合的角度分析地理事象的发生、发展和演化。除关注静态天体观测外，还要重视动态的天体视运动。［2］动态天体视运动是指叠加了时间属性的天体观测，不再是单一考查某一时刻的天象，开始关注天体位置随时间的变化，在近年高考、模拟题中不断出现。例1.（2020年1月浙江卷第20题）若观测者在地球某地先后观测到月球、水星经过太阳表面的天象，则第二天正午三大天体在星空中的位置可能是图1中的参考答案：D解析：从地心视角看，月球公转方向与水星公转方向不同，造成第二天的排列差异（图2）。例2.（2022年1月浙江卷第19题）摄影爱好者在南半球某地朝西北固定方向拍摄太阳照片，拍摄时间为K日及其前、后第8天的同一时刻。图3为合成后的照片，图4为地球公转轨道示意图。参考答案：B解析：K日前、后第8天同一时刻的太阳位置重叠，说明这两天的太阳视运动轨迹重合，太阳高度一致，太阳直射点位置相同，太阳直射点的纬度变化以夏至、冬至对称，说明K日为夏至或冬至前后，结合地球公转轨道示意图，只有②快到远日点7月初，为夏至点。解答动态天体观测题需要学生结合天体的运动规律，进行空间建模，复现天体的运行轨迹。难度更大的动态天体观测是探讨多个天体间相对位置的变化，学生往往不得其法，难以下手。如日食、月食、水星凌日是由于地球、太阳、天体三者相对位置变化产生的动态天象，网络上关于其成因的科普文章与视频很多，笔者将不再赘述（表2）。在运动方向上，日食是从太阳西缘开始、东缘结束，水星凌日是从太阳东缘开始、西缘结束，月食是从月球东缘开始、西缘结束（图5），什么原因造成了三者不同的动态方向？三、相对运动与多天体动态观测1.日食与水星凌日日食与水星凌日的天体分布位置相似，均是天体居于地球和太阳之间，三者基本处于同一条直线上产生的天文现象（图6）。从地球上可观测到月球和水星的暗面从日面经过，可二者的视运动方向截然相反，日食时，地球观测到月球由西向东经过日面，而水星凌日是水星由东向西经过日面，这是为何？在日食亏缺顺序上，很多教师利用图7进行解释——月球自西向东公转经过日面，因此，日食从太阳西缘开始、东缘结束。但是，图7中地心视角与日心视角混合，地球自转和月球公转夹杂，不少学生疑惑从地球上看过去，月球和太阳一样做东升西落运动，为何图7所示月球是自西向东运动？日食持续时间短暂，月球公转角度应该很小，为何图7忽略地球自转，只考虑月球公转的影响？要想清楚解答这个问题，首先要明确这里的天体视运动都是指地球观测者观测到的天体运动，因此，所有的天体观测都必须落在地面观测者视角。由于太阳系内大部分天体的公转角速度都远小于地球自转角速度，所以天体视运动主要由地球自转引起。在地面的观测者看来，地球静止不动，其他天体都围绕地轴做东升西落的相对运动，这就是“天体周日视运动”。那么天体的视运动速度和地球自转速度是否一样都是15°/h？答案是否定的，因为天体自身的公转也会影响到天体的视运动速度，当天体公转方向与地球自转方向一致时，天体视运动速度会减慢，若天体公转方向与地球自转方向相反，天体视运动速度会加快。要解释日食、水星凌日的运动方向，可以利用太阳、月球、水星的视运动速度差异。由于地球公转视角下太阳的位置恒定不动，所以太阳的视运动速度就是地球的自转速度，而月球是自西向东绕地球公转，与地球自转方向一致，与其视运动方向相反，所以，月球的视运动速度小于地球自转速度。由此可知，太阳的视运动要快于月球，因此，在地面观测者看来，“日食”发生时，是太阳自东向西追上了月球，所以日食是从太阳西缘开始、东缘结束（图8）。水星凌日发生时，也是地内行星行进到下合位置时，从地心视角看，会出现行星逆行的现象，即水星自东向西的视觉倒退现象（图9）。水星凌日时，由于水星逆行和地球自转方向相反，水星的视运动速度大于地球自转，可知水星的视运动速度快于太阳，水星会自东向西追上太阳，所以水星凌日是从太阳东缘开始、西缘结束（图10）。2.月食月食发生时，月球钻入地球的影子内（图11），此时夜半球一侧的人们都可以观测到月食，且月食是从月面东缘开始、西缘结束，这是为何？地心视角下地影位置是不动的，但对地球上的观测者而言，地影的相对移动方向与地球自转方向相反，地影在西移，移动速度就是地球自转速度，而月球的视运动速度根据上述推理可知是小于地球自转速度的，也就小于地影的移动速度。因此，从地球上看，是影子自东向西追上了月球，月食便从月面东缘开始、西缘结束（图12）。综上可知，这三种天象的视运动方向不同其实和地心视角下的天体公转方向不同有关，多天体动态视运动的判断技巧是根据天体公