天文觀測類試題常見疑難問題解析

鐘華 羅瑛

摘 要：近年來，浙江省學考和選考設(shè)置天文觀測類試題考查“地球的宇宙環(huán)境”章節(jié)內(nèi)容，所考查的知識點是地理教學的難點和易錯點。文章梳理并圖解天文觀測類試題中的宇宙空間尺度、觀看星空的方向、星軌旋轉(zhuǎn)方向、行星凌日等代表性問題，以期觸類旁通地解決同類相關(guān)問題。

關(guān)鍵詞：天文觀測;疑難問題;空間思維

天文觀測類知識具有較強的抽象性，學生需要一定的數(shù)理思維、空間想象力和時空變化思維才能找到正確的解題思路。筆者在日常教學實踐中常被學生和地理同行問及各類天文觀測類問題和試題，為幫助師生有效突破教學難點，摒除長期存在的謬誤，避免進入常見易錯陷阱，本文整理了天文觀測類試題中較難、易錯的問題并進行相關(guān)解析。

一、宇宙空間尺度和常識問題

例1.（2017年11月浙江省地理選考卷）火星是地球的近鄰，表面大氣稀薄，大氣成分以CO2為主，晝夜長短接近地球，而晝夜溫差卻超過100℃。幾十年來人類對火星的探測一直沒有停止過。圖1為太陽系示意圖。據(jù)此完成24題。

24.火星上的夜晚可能觀察到

A.土星遮住火星的衛(wèi)星

B.水星在小行星中穿梭

C.美麗的銀河橫跨星空

D.圓圓的地球掛在天空

參考答案：C

學生易錯選D，這反映他們對宇宙空間尺度和基本天文常識認識不到位。教材要求掌握“天體系統(tǒng)”知識，但宇宙空間尺度需要教師在課堂加以補充教授，以使學生擁有正確的宇宙觀。

宇宙大爆炸后，宇宙一直處于不斷膨脹中，星系是非常遙遠的天體系統(tǒng)，它們中的絕大多數(shù)肉眼不可見。除銀河系外，我們的近鄰大、小麥哲倫星系、仙女星系也是肉眼可見的星系，河外星系大都在幾十萬光年之外。

肉眼可見的星云和恒星是次遙遠的天體，它們大都在銀河系內(nèi)，所以能被地球人觀察，最近的恒星比鄰星也有4.2光年遠，其他較亮恒星的距離在幾十到幾百光年不等。由于恒星很遙遠，所以幾個世紀內(nèi)它們的相對位置并無變化，常常用來作地球自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)的穩(wěn)定參考系。

太陽和太陽系行星就像一個距離很近的大家庭，它們在天空中的相對位置經(jīng)常變化。即使行星間距離相對較近，然而無論是地表還是火星表面觀察其他行星都只能看到一個星點，不可能看到圓面的現(xiàn)象，所以上題D選項錯誤?；鹦峭挥谔栂怠y河系內(nèi)部，地球上可觀察銀河橫跨星空，那么火星亦可行。

行星與自身的衛(wèi)星距離是最近的，在某行星觀察天空，衛(wèi)星能遮擋其他天體，其他天體無法遮擋衛(wèi)星。因為行星與衛(wèi)星挨得近，故常發(fā)生影子相互遮擋的情況，如日食和月食。相對于行星之間的距離，行星與衛(wèi)星間的距離可以忽略不計，故各式太陽系天體軌道俯視圖（包含月球軌道）大都已將月球軌道直徑夸大，離真實比例相去甚遠。

需要特別注意的是，不管身處太陽系何處，都只能觀測到行星（或衛(wèi)星）被太陽照亮的表面，夜半球無光亮故無法觀測，如在上題圖中太陽系行星的分布情況下，火星不管夜半球還是晝半球都無法觀測地球、金星、水星，因為這三顆行星的整個夜半球面對著火星，而火星的夜晚可看明亮的木星和土星。小行星帶的小行星約50萬顆，常用密集小點夸張地表示，但并不代表小行星們密集而擁擠。相對于真實的火星和木星之間的空間，小行星帶里的天體分布實際非常稀疏，任何穿越小行星帶的航天器都不用擔心遭受小行星的意外撞擊——這個概率比連中幾百次“大樂透”彩票還低。

二、觀測星空時的方向問題

1.不同朝向下的地平方位

例2.（2018年11月浙江省地理選考卷）圖2a為太陽系部分天體某時刻相對位置示意圖。圖2b為某學生當日看到的局部星空。據(jù)此完成24、25題。

24.該時刻肉眼在

A.火星天空中可以看見月球

B.月球上可見火星嵌在日面

C.火星上可見地球遮住月球

D.月球上可見火星懸在星空

25.該學生面朝月球站立，其左側(cè)為正東，此時為

A.清晨? ? ? ? B.正午? ? ? ? C.黃昏? ? ? ? D.子夜

參考答案：24.D? ?25.D

這組題中圖2a為太陽系極點俯視圖，顯示日、地、月、火連成一線，月球的夜半球正對火星晝半球，故火星天空無法看見月球，A錯誤;月球上看來火星在太陽相反方向，B錯誤;火星上看來月球在地球前面，地球無法遮住月球，C錯誤;月球的夜半球正好可看火星晝半球反射太陽光，故D正確，24題繼續(xù)考查學生的宇宙空間思維和天文觀測基本常識。25題給定滿月月相，觀測者左側(cè)為東的設(shè)定，求觀測時間，此題關(guān)鍵解題橋梁為由“左側(cè)為正東”推理得“面向正南”，再結(jié)合月相知識可得答案D。

閱覽一幅小區(qū)域標準紙質(zhì)掛圖時，可默認地圖方向是“上北下南左西右東”。然而觀測星空時，方向問題將變得略顯復雜——有時左東右西，有時左西右東等。其實方向的判斷取決于觀測者在經(jīng)緯網(wǎng)坐標系中的朝向，假如觀測者面向正北站立觀測星空，那么其前方是北，左側(cè)為西，右側(cè)為東，后方為南（圖3a）;假如觀測者面向正東站立觀測星空，那么其前方是東，左側(cè)為北，右側(cè)為南，后方為西（圖3b）;同理，面向正南和正西的情景參考圖3c和圖3d。

2.星軌旋轉(zhuǎn)方向

由于地球在一刻不停地自轉(zhuǎn)，以地面為穩(wěn)定參照物的人就會看到星空（或者天球）在旋轉(zhuǎn)，這種旋轉(zhuǎn)短時間內(nèi)無法察覺，但固定相機對天空延時曝光拍攝則得到星軌圖像。星軌圖中每條亮線即代表一顆星星的視運動軌跡，這是日月星辰東升西落的直觀表現(xiàn)。那么，星軌旋轉(zhuǎn)的方向是順時針還是逆時針？

這個問題常常困擾不少學生，有些認為南北半球的星軌應當分別討論，有些從“北極點上空俯瞰地球自轉(zhuǎn)為逆時針”原理出發(fā)反推北半球地面觀測星軌的旋轉(zhuǎn)方向，但這些思維往往舍近求遠，甚至得到錯誤的結(jié)論。簡單、正確且有日常觀測經(jīng)驗支撐的空間思維方式是：面朝正北時星軌逆時針旋轉(zhuǎn)，面朝正南時星軌順時針旋轉(zhuǎn)，面朝正東、正西則不考慮順/逆時針問題，南北半球均適用。面朝正北時，右側(cè)為東，左側(cè)為西，日月星辰東升西落，即右升左落，所以星軌旋轉(zhuǎn)方向為逆時針（圖3a）;面朝正南時，左東右西，日月星辰左升右落，故為順時針（圖3c）。

同理，還可以利用星軌的形態(tài)和軌心（星軌的旋轉(zhuǎn)中心）來大致判斷觀測者朝向和當?shù)鼐暥鹊母叩?。例如，已知觀測者在北半球，當其所拍星軌圖像整體呈完整的圓環(huán)狀時（圖3a），則觀測者面朝北方;若其星軌圖像為圓弧形（未呈完整圓環(huán)）且圓弧中心隱藏于地平線以下某處（圖3c），則觀測者面朝正南。因為對于北半球而言，北極星附近的天北極永遠在天空，天南極則永遠在地平線以下，南半球則相反。仰望軌心即仰望北（南）極星，軌心的高度可以大致判斷緯度：若軌心在地平附近則緯度低，軌心在頭頂高空附近則緯度高。

3.地內(nèi)行星凌日方向

例3.30°N的甲地與40°S的乙地在某日都看到了天文奇觀“水星凌日”，下列敘述正確的是

A.甲地看到凌日后的水星位于太陽東側(cè)

B.水星凌日時地球上的人都能夠看到

C. 甲地看到水星從左向右經(jīng)過太陽表面

D.乙地看到水星凌日方向與甲地相同

參考答案：C

此題以水星凌日為主題，考查凌日的方向。顯然凌日只發(fā)生在白晝，有太陽在天空才有凌日，故B錯誤。水星凌日時發(fā)生在水星的“下合”位置，即水星位于太陽與地球之間，由于水星在下合位置時在地平觀測者看來是自東向西逆行的，所以凌日前水星位于太陽東側(cè)，而凌日發(fā)生后位于太陽西側(cè)，南北半球皆如此，故A錯誤。甲乙兩地看水星是從左往右經(jīng)過太陽表面還是從右往左，還是兩地相同？甲乙兩地分屬北半球和南半球，且都位于回歸線以外。水星軌道在黃道平面附近，根據(jù)共面性水星軌道平面可以近似等同于黃道平面。假設(shè)太陽直射20°S某地，太陽直射光線把地球分成黃道平面以北區(qū)域（20°S～90°N）和以南區(qū)域（20°S～90°S），那么以北區(qū)域的觀測者（圖4中的甲）看水星公轉(zhuǎn)方向是逆時針，而甲觀測太陽時一般面向偏南方向，左東右西，故甲看到水星從左向右穿過日面，C選項正確。同理，圖4的乙位于黃道平面以南，他看到的水星軌道是順時針的，乙地面向偏北觀測太陽，左西右東，故水星從右向左穿過日面，甲乙兩地觀測水星凌日方向不同，D選項錯誤。雖然太陽直射緯度以北和以南所觀察的水星凌日有左右方向的差異，但都是自東向西。

例4.（2020年1月浙江省地理選考卷）若觀測者在北半球某地某日先后觀測到月球、水星經(jīng)過太陽表面的天象（圖5），則第二天正午三大天體在星空中的位置可能是

參考答案：D

此題觀測地為北半球且面南觀測水星、太陽，故水星凌日后次日水星出現(xiàn)在太陽右側(cè)（西側(cè)）。月球的公轉(zhuǎn)始終是順行（自西向東）的，所以月球在經(jīng)歷日食后繼續(xù)向東運動，次日到達太陽左側(cè)（東側(cè)），且月球公轉(zhuǎn)角速度遠大于水星公轉(zhuǎn)角速度，所以次日月球與太陽的角距離比水星離太陽的角距離更大，故此題選D。

三、南北方觀測行星、月球問題

經(jīng)常有學生或同行問筆者這樣兩個問題：為什么太陽系北極點俯視圖中某地地平切線的法線指向正南？為什么從北半球看星空，尤其是觀測太陽系行星和月球時往往是面向南方觀測？第一個問題，太陽系極點俯視圖（圖6右側(cè)部分）是從地球北極超高空的視角俯瞰整個太陽系行星軌道，在這樣的視角下空間中的“北”和“南”被壓縮、投影到赤道平面上，極點俯視圖無法指示南北方向，只可根據(jù)公轉(zhuǎn)或自轉(zhuǎn)方向來判斷東西方向。那么，為什么我們能在無法指示南北方向的極點俯視圖中解讀出南或北的方向？因為在極點俯視圖中，各行星的公轉(zhuǎn)軌道與地球公轉(zhuǎn)軌道（黃道）大致在同一平面，而地球的黃赤交角不大，使得赤道平面也在黃道面附近，可以認為各行星大致在地球赤道平面附近分布。對于北半球觀測者而言，赤道平面在南方，所以地表觀測各行星主要從偏南方角度觀測（圖6）。一旦涉及地球觀測某行星就必然需從極點俯視圖中解構(gòu)出具有南北方向的側(cè)視圖信息，即各行星相對于地球北半球某地而言自帶著“南”的屬性，所以我們能從極點俯視圖中解讀“南”方向，地平線的兩端為東西方向，中間為正南。同理，對于南半球觀測者而言，地平線兩端為東西方向，中間為正北。

第二個問題的解析已在上面有部分闡述，另從地面觀測角度加以補充說明（圖7）：北半球某地（28.5°N以北地區(qū)）的春秋分太陽周日運動軌跡（L0）可作為全年太陽基準位置，夏至日的太陽周日軌跡（L1）是由L0向北平移23.5°，同理冬至日太陽周日軌跡（L2）是由L0向南平移23.5°。太陽從冬至到夏至再回到冬至，均在L1與L2之間，L1至L2的天空區(qū)域?qū)τ谟^測者來說絕大部分位于偏南側(cè)，而太陽系其他行星都沿黃道分布，所以行星的分布也落在L1與L2之間，故在偏南側(cè)天空。月球公轉(zhuǎn)軌道與地球公轉(zhuǎn)軌道有5°9′的夾角，所以月球分布范圍是L0±28.5°，故月球也絕大多數(shù)情況在偏南方觀測。

南半球28.5°S以南的地區(qū)情況相反，觀測太陽、月球、各行星的方向絕大多數(shù)在偏北方。

四、教學策略和建議

教師在應對天文觀測類疑難問題時，建議從以下方面改善教學效果、提高課堂教學水平：①總結(jié)和分析試題特點、?？键c，研究命題方向，特別要注重培養(yǎng)學生空間思維轉(zhuǎn)換能力。②應用天文軟件和三維演示模型模擬真實宇宙空間環(huán)境，提高學生空間思維建模水平和時空轉(zhuǎn)化思維效率，推薦電腦版Stellarium[1]、Celestia、AutoCAD[2]和手機版星圖等軟件[3]搭配使用。③積極創(chuàng)造條件開展天文觀測[4]，地理教師多觀察留意星空，尤其是黃昏、黎明時分的星空，重點關(guān)注五大可見行星和月球，在此基礎(chǔ)上組織學生有序觀看（可結(jié)合天文望遠鏡）。④關(guān)注天文和航天領(lǐng)域的動態(tài)時事，積累教學新素材，開拓新情境。

參考文獻：

[1] 單良，宋瑋嫻，岳蕾.Stellarium軟件在高中地理課堂教學中的應用探究[J].中學地理教學參考， 2018（12）：38-39.

[2] 彭松.例談基于AutoCAD的地理三維課件制作[J].中學地理教學參考，2010（12）：34-35.

[3] 王芊，劉煥.星圖軟件輔助下的《天文學基礎(chǔ)》校本課程開發(fā)研究[J].地理教學， 2019（07）：62-64.

[4] 董滿超.基于“地理實踐力”的天文觀測活動的探索與思考[J].地理教育，2019（01）：51-52.