談談影子和日食

一、影子的形成

我們知道，光在同種均勻介質中沿直線傳播.如果光在直線傳播過程中遇到不透明的物體，將無法繞過或穿過，因此會在物體的背面光所無法到達的區(qū)域，形成一片暗區(qū)，這就是影子.炎炎夏日，出行的人們喜歡打一把遮陽傘，或者躲在樹陰下乘涼，就是在利用傘影和樹影.

如果光源是單個發(fā)光點，那么影現(xiàn)象就比較簡單，例如手影游戲.夜晚，點燃一支蠟燭，通過手形的巧妙變化，使手在墻壁上的影子形成各種事物惟妙惟肖的形象，這種簡單而又古老的手影游戲曾給我們的童年帶來過不少樂趣.

但是在很多情況下，光源不是單個發(fā)光點，情況因此更為復雜一些.比如多個點光源同時照射一個物體，或者光源屬于線光源（電棒、白熾燈燈絲）或面光源，這時往往會產生“本影”“半影”“偽本影”等多種影現(xiàn)象.

我們先來看這樣一個例子，當我們夜晚走在路上時，如果身后有兩盞路燈，往往可以看到我們身前有兩個灰影子，灰影子重疊的區(qū)域最暗，這個最暗的影區(qū)就是本影，而灰影子就是半影.

可以設想，如果還有第三盞路燈的燈光從其他角度照射過來，則我們的本影將變得更小，而半影會變得更亮一些.

利用這一原理，人們發(fā)明了醫(yī)院里專用的“無影燈”.這是一種安裝在手術室內的頂燈，它其實是一個由若干盞高亮度燈在圓形燈盤上排列組成的一個面積很大的面光源，這樣，光就能從不同角度照射到手術臺上，從而避免產生明顯的本影，保證手術視野明亮.可見，嚴格說來無影燈并非真正無影，只是無明顯的本影.

二、日食的形成和類型

太陽光在真空中沿直線傳播，由于太陽也是面光源，太陽的直徑遠大于月球的直徑，太陽直徑兩端發(fā)出的光線，給月球也形成不同方向的影子，因此就會產生“本影”“半影”和“偽本影”.

月球是不發(fā)光天體，月球繞地球運轉過程中，在太陽光的照射下，背向太陽的一面拖著一條長長的錐形影子——月影.農歷的每月初一（朔日），月球將運行到太陽與地球之間，此時如果太陽、月球和地球三者正好位于或接近同一條直線，月影就會一直延伸投射到地球表面.從太空上觀察地球，就會看到地球表面有一塊陰影區(qū)域，中間深色部分是月球本影，外圍較淡陰影是半影.處在這陰影區(qū)域內的人們，看到的是被月球遮擋的太陽，這就是壯觀的天文現(xiàn)象——日食.被月影掃過的地帶和區(qū)域，往往狹長如帶狀，稱為“日食帶”，處于日食帶的人們，才能有幸看到日食.

值得一提的是，月球軌道面與地球軌道面之間有一個5°左右的夾角，所以在大多數(shù)的朔日，月球雖然處于太陽和地球之間，但這三個天體并不在一條直線上，因此并非每逢朔日都有日食發(fā)生.

日食可以分為日全食、日偏食和日環(huán)食三種，出現(xiàn)不同類型的日食主要與日、地、月三者的距離和近似成一線的程度有關，另外還與觀測者在地球上所處的具體位置有關.

日食發(fā)生時，如果月球離地球較近，月影的本影能到達地球表面，則地面上處于月球本影區(qū)的人們將看到太陽被月球完全遮擋，即形成日全食.

日食發(fā)生時，如果人們處于月影錐的半影區(qū)，則會看到“缺角”的不完整的太陽，此為日偏食，意為月球從太陽旁邊擦過.

日食發(fā)生時，如果月球離地球較遠，月球的本影不能到達地面，但本影的延長線投射到地面，此時位于月影的本影延長線區(qū)域（偽影區(qū)）的人們就能看到中間被月球遮擋的太陽，這時太陽的中心部分黑暗，邊緣仍然明亮，形成光環(huán)，這就是罕見的日環(huán)食.

由此可見，日食種類的不同，與觀測地點也是有關系的，同一次日食現(xiàn)象，處在地球上不同位置的人看起來并不相同.

2009年7月22日，我國長江流域發(fā)生日全食.在這次日食現(xiàn)象中，月球本影沿長江東行，掃過長江中下游兩岸許多重要城鎮(zhèn)，所形成的“全食帶”覆蓋中國人口最稠密的地區(qū)之一，成都、重慶、武漢、合肥、杭州、上海等許多大城市皆處于全食帶之中，目睹者人數(shù)高達數(shù)億，盛況空前史無前例；全食持續(xù)時間最長可達約6分鐘.全食帶以外的我國其他遼闊地區(qū)，也都觀測到了程度不同的日偏食.此次日全食是近百年來出現(xiàn)的最完美的一次日食，它給人們留下了深刻印象和美好記憶，人們將這次日食稱為“2009年長江大全食”.

三、日食現(xiàn)象與夏商周斷代工程

17世紀牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律以后，人們逐漸認識到天體運行遵循嚴格而穩(wěn)定的規(guī)律，根據(jù)天體運行規(guī)律，科學家可以精確推算日食發(fā)生的時間，包括預告未來將要發(fā)生日食的時間和推算過去曾經發(fā)生日食的時間.反之，通過對遠古時代關于日食現(xiàn)象的記載，可以反推出當時的準確年代.

長期以來，我國遠古時期歷史年代模糊不清，1996年5月16日我國啟動了大型科研項目“夏商周斷代工程”，科學家根據(jù)中國古籍中關于日食現(xiàn)象的記載，通過推算，較為準確地確定了夏商周三朝的確切年代，從而揭開了中國古代文明的身世之謎.這次研究是自然科學與人文科學的成功結合，其研究方法及研究成果令人感嘆.

當然，無論是簡單有趣的手影游戲還是日食月食等天文奇觀，都是光沿直線傳播的結果，這一點我們應該有明確的認識.