月相问题全解

1月相问题全解广东佛山市顺德区一中刘华新“月相及其变化”是高中地理上册第一单元里的内容，在2001年、2002年是必学内容，今年（2003年高一年级）是选学内容。对月相及其变化如何理解，是很多老师的教和学生的学都感到头痛的问题，课本上只提供了一幅《月相成因示意》图（即图1、10，此处用图一表示）和一幅《观察月相》图（即图1、11，此处用图二表示）另外还有一段文字说明。以上看似内容不多，但涉及到具体的月相判断就比较复杂了，如果对月相问题没有深入的理解，要准确判断月相及其对应的日期、观测地点、月面和当地地平面的夹角关系就较难了。实际上要准确全面解决月相问题，需要丰富的月球天文知识和空间的想像、预判能力，对老师和学生来说这都不是一件简单的事情。为全面说明月相问题，下面我从三个方面来讲：一、对课本内容的理解图一（课本上为图1、10）图一反映的是月相成因及不同日期所见的月相，但把各种月相画在同一幅图上，容易让人产生混乱的感觉。不过这样画也有好处，就是保持地球和太阳的位置不动，只考察月球的运动，综合比较不同日期的月相。具体怎样理解呢？有的人可能会以“我”为中心来观察月相，如在图中上弦月和下弦月的亮面都是朝右的，如果我们站在图中地球的上部赤道这个特殊点上，背朝北方，那么左手指东方，右手指的必然是西方，上弦月面亮的部分朝右，也就是朝西方了，这没有错。但有人会说下面的下弦月面也朝右面，那下弦月面也应该是朝西方了，怎么能说是朝东方呢？他们不能理解这一点。其实这时我们应该让自己“钻”入图中，站到地球表面赤道地区附近，还是保持背向北方，图中地球的中心点为北极，我们会随着地球的自转而运动，当我们能看到夜空中的下弦月时，必然是“倒悬”在图中的地球的下面。既然背朝北，2和上述情况一样，还是左手指东方，右手指西方。显然这时月面指向你站立地点的左面，即指向东方，而不是西方。同样的道理，图中八个月相，我们对它们的理解都要设想自己在每个月相对应的地面上的点来观察理解。在实际生活中人不可能倒悬空中来看书理解，这时可以用一个简单可行的方法，即转动书本，始终保持自己处于“站立”状态，“坐北朝南”自然也是左手指东右手指西。自己的观测点的“坐标”确定了，那么判断月面所指的方向就容易了，说到底，就是你必须正确确定自己的观测点的位置和坐标，那样，你的观测结果才可能是正确的。另外图一大致是以北半球中纬度观测点为标准来画的，或是默认了是北半球中纬度地区。至于月相的变化原因，课本上已经说的很清楚了，这里我就不多说了，但是为了讲的生动，让同学们深入理解，我们首先要从概念或者说从感性上扫除障碍。这里可举一例：夜晚路灯照在一棵树上，我们从不同的地方看，能见到的树的光亮的部分的多少是不一样的（可在黑板上画草图），同理对于月球来说，它始终也只有一半是亮的。我们从不同的角度看，它光亮的范围是不一样的。而这个角度是由于日、地、月三者相互运动所造成的一个动态的结果。关于下面图二，这幅图也是默认了观测者是在北半球中低纬度地区。上半月和下半月图中都画了几个月亮，这也会让一些人迷惑不解。其实这里要向同学们解释清楚的是图中各种月相的月亮并不是同一天的月亮，而是不同日期的月亮，它们在太阳升起或落山这两个时刻都有各自相对应的天空中的位置。不同的月相当然也就不可能在同一天出现了。图二（课本上为图1、11）3至于图中下面“月相同太阳出没的比较，夜晚见月情形”的表格，其内容完全不必死记，那样是愚蠢的，不能理解就难得记，记得一时也难长久。我们需要的是理解的记忆，遇到具体的问题时还要临时推导，这样才能做到准确无误。在讲“月相及其变化”这节内容时，我是较有心得体会的，也有一些创新。有条件的学校用电子动画演示当然效果也是很好的，如果市面没有好的课件，自己做也是很好的选择，我自己就用powerpoint软件做过动画，演示不同月相出没时间同太阳出没时间的比较、夜晚所见月亮时段的情形，效果较好。当然在没有条件用电脑演示的情况下，这里我更要推荐的一种方法就是自己做教具，我也有成功的经验，具体做法如下：在一张硬质较厚的白纸上画上地球，北极点面向学生，画一观测者站在赤道上（以赤道这个特殊点来看好说明问题一些），再画一地平线垂直于观测者且穿过地心，将地平线上部分为东部天空和西部天空。以地球不动，再在一张透明的胶片上画上月球、太阳、以及垂直于太阳光的晨昏线，月球的亮面要垂直于太阳光。用一图钉将胶片与白纸在地球北极点处钉上，注意要使晨昏线通过地心。四种基本月相，可画四张胶片，转动每一种胶片，可说明每一种月相的情况。我们可以看到在不同的月相时，月球与太阳升落的先后关系，月面的朝向，夜晚的不同时刻在天空中的位置情况等，这样看来就一目了然。（见下面四幅图，图三）图三（日、月东升西落，所以转动塑胶片时是向右转动）还可以进一步探讨，同一时刻的月相，在地球的不同位置观测，月面的朝向也有不同，比如说蛾眉月，在低纬看，在接近地平线时月面的凸向是朝下的，在北极点上看，弯月是近乎竖直于地平面上的，尽管我没有到过北极，但这完全可以想象得到，这需要较强的空间想象能力。这就是我在下面要重点讨论的问题。西东西东西东西东东部天空东部天空东部天空东部天空西部天空西部天空西部天空西部天空4二、练习中存在的问题。市面上有关月相练习的题目，很多都有问题。一般都是给你一幅图，图中什么参照物都没有，只有月相，月相可能是弦月，可能是娥眉月或凸月，让你判断是上弦月还是下弦月，是初三的月亮还是二十七、八的月亮等。图中没有画出地平线或没有标出地平面上的方向，没有标出观测地点（是哪个半球，哪个纬度范围）。严格说来这样的题目是无法做的。之所以一些题目在资料上有所谓的正确的答案，我想那是他们默认了一切月相都是在北半球中纬度观测到的，且默认了图的下方边框线就是地平线，对于弦月他们默认了图的左边框线是东，右边线是西；对于新月，他们不能默认图的下边框线左、右两边面是北还是南，那就只能服从于月相判断的结果了。对于新月，他们认为右面是北；对于残月，他们认为左面是北，见下面图解（图四，四种情况）默认是在北半球中纬度某同一地点观测上弦月下弦月初三二十八图中的方向都是默认的，资料上没有标出来，这里我标出方向三、对月相判断的深入认识如上所述，我们发现了练习中的问题，那么怎么样解决呢？要尊重客观实际，真正科学的题目是要以全球为考察范围的。在图中要交代地平面、地平面上的方向、月亮在地平面上的高度，观测点的位置（半球位置，纬度位置）等，甚至有必要还要交代经度位置和观测时具体的地方时刻。知道了上面的几个条件中的其中几个，那么另外几个结果我们就可以推导出来。下面看一个具体的例子：有一次我在看中央电视台的节目《两极之旅》时无意中发现了一个镜头，即日出前的弯月，当时是摄制组的人员到安第斯山顶去拍摄温泉在日出前的那种云雾蒸腾的样子，以显示温泉热度之高和景象之壮观，当镜头指向黎明前的泛白的东方时，我发现一轮弯月在地平线上，弯月的凸面是向右下方凸出的（图五、下右图）。（图六）（图五）这使我要思考其道理，很快我明白了其中的道理，我进一步想，假如此时在北美洲的落基山脉看这轮弯月，又是什么样的景象呢？不难理解，在地平线上月面应该凸向左下方（图六，上左图）。我一直在思索和判断在地球的不同的地方观看月亮，月相形状同地平面的相对位置关系是不同的，以前我在课堂上也给学生讲过这一点，我举的是赤道和北极点对比这个例子，这两点的人站立的角度相差90度，那么他们观测到的位于赤道地方的地平面上东方或西方遥远的接近地东东西西南北南北北南北南北南赤道5平面的物体的视角自然相差90度（见下面原理图，图七）。在图中我们是可以推断出其几何原理的，我在电视上看到的镜头进一步证明了我以前的推理，这里可帮助理解上面图五和图六的不同。赤道所见北极所见（图七）根据同样的原理，我们还可以想象和推断出在地球各地，不同的时刻观测到的各种月相的情况。但是，在判断前我们要明白如下几点前提条件：1、地球饶太阳运动的轨道叫黄道，月球饶地球运动的轨道叫白道，白道和黄道是有一定的交角的，但交角不大（为5度9分），从每个月来看月球有一半的时间在黄道面以下，一半的时间在黄道面以上，这样从全月、全年的平均状况来看可以认为月球的位置就在黄道面上，我们可取这个平均值来看问题。2、同一天，地球各地见到的月相的形状是一样的。其原理是对于遥远地方的物体（或天体）来说，可以认为地球就是一个点。3、月球的视半径是15分33秒，接近太阳的视半径。4、当然我们最好还要了解月球距离地球平均为38.4万千米，一个朔望月的周期是29.5306日，一个恒星月周期是27.32日，自转周期也是27.32日，恰好和恒星月周期相同，这决定了月球始终只有一面对向我们地球，即所谓的“正面”，而它的背面，我们在地球上是永远也看不到的。遇到具体问题时要具体分析，都可以得到特定的结果，鉴于中学教学暂不必要太深或为了叙述上的方便，我就以上面的平均状况来说明问题。为了使问题的说明更具有条理性，我按春分、秋分、夏至、冬至四个节气分别来谈不同纬度地点所见不同月相的情况，选南、北极，南、北纬45度，赤道，共5个地点来观测，重点选新月（具体到初二或初三），残月（具体到阴历二十八或二十九）。这样看来，4个时间，5个地点，2种月相，组合起来工有40种不同的观测结果（见图八，组图）。上、下弦月，凸月及满月另外再简单地谈谈。一，春分时各地观测月相的情况：1，新月（阴历初二或初三）南极点南纬45°赤道北纬45°北极点（各幅图下边的框线为地平线，正中的方向为正西方，下面各组图道理相同，或正东，或正西）东南北南62，残月（阴历二十八或二十九）北极点北纬45°赤道南纬45°南极点二，秋分时各地观测月相情况：1，新月南极点南纬45°赤道北纬45°北极点2，残月北极点北纬45°赤道南纬45°南极点（春、秋分时，月球升、落的方向都是正东、正西）三，夏至时各地观测月相的情况1，新月南极点南纬45°赤道北纬45°北极点(南极点处于极夜，无法见到新月，北极点处于极昼，月球高夜高度接近23点26分，月弓和地平面的夹角为90度。但是极昼时，太阳和新月同在地平面上，能否看到新月，还要视乎当时的情况，也许初三以后的月亮容易看到些，有待考察。下面几幅极点的图的情况用相同的方法分析）东北南南南南西南北南南南北南西南南南北南东南72，残月北极点北纬45°赤道南纬45°南极点四，冬至时各地观测月相的情况1，新月南极点南纬45°赤道北纬45°北极点2，残月北极点北纬45°赤道南纬45°南极点（图八，组图）（注：为了叙述方便和讲清原理，以上都不计较日月细微的黄经差。另外在实际观测中，新月、残月的“月尖”部分由于视直径太小而难以被肉眼看到，不能如图中所画理想状况那样月弓可以达到一个半圆弧）从夏至和冬至各组图还可看出：夏至时，各地的新月都从西北落下，残月都从东偏北升起，基本等同于太阳的升落方向，其天文原因是新月、残月和太阳的黄经、赤纬相差不大。同样的原因，冬至时，各地的新月都从西南落下，残月在东南升起。以上各图都标明了“月弓”同在接近地平面时和地平面的夹角，其理论依据在于要知道当时日、地、月的位置关系，地、月在黄道上的位置，晨昏线与月球的位置关系。这里我们还要知道月弓的竖直方向与黄道面是垂直的．．．．．．．．．．．．．．．，与晨昏圈平．．．．．面是平行的．．．．．，这可画立体视图说明的。这样，各种情况我们都可画相应的便于观察和分析的视图，从而推算出“月弓”同地平面的夹角。上图中冬、夏至南、北纬45°地方的夹角50°41′，这要利用球面三角知识求出来，这里我就省略画图和公式的推导与计算了。如能用三维动画来演示，效果更好。对于弦月、凸月来讲，它们的形状看起来更接近“块状”，而不象新月、残月那样接近“条状”，也因为它们不象新月、残月那样只是在日出、日落前后不北南东南东南南南北南西南南拿北南8久出现在地平线上不高的位置，所以研究它们同地平面的夹角“意思”不大，更因为考虑叙述上的方便，这里只对它们的月相状况作简略讲述。取全球各地在全年的平均月相状况来看（见图九，组图）。又有以下几种情况：1，上半夜西