2020年6月21日是夏至日，下午中國(guó)南方部分地區(qū)將發(fā)生較罕見(jiàn)的天文現(xiàn)象——日環(huán)食，屆時(shí)全國(guó)各地將出現(xiàn)不同程度的日偏食。日食是所有天象中最引人注目、最壯觀的一種，教師指導(dǎo)學(xué)生觀測(cè)日食有利于學(xué)生深度了解太陽(yáng)、增強(qiáng)對(duì)月球運(yùn)動(dòng)的理解、提高自身地理實(shí)踐力水平和激發(fā)對(duì)天文、科學(xué)的興趣。文章以2020年夏至日環(huán)食為活動(dòng)主題，介紹本次日環(huán)（偏）食教學(xué)觀測(cè)的準(zhǔn)備過(guò)程、日食原理、觀測(cè)過(guò)程等。

2009年7月22日上午中國(guó)的長(zhǎng)江流域部分地區(qū)經(jīng)歷了300年一遇的日全食，近3億人觀看了這一激動(dòng)人心的壯麗天象，許多人還歷歷在目。緊隨其后的是2010年1月15日的云川陜魯一帶的環(huán)食日落，觀測(cè)時(shí)間非常短暫。之后10年來(lái)中國(guó)偶爾有少數(shù)地區(qū)發(fā)生食分不大的日偏食，對(duì)于人口密集的中東部地區(qū)來(lái)說(shuō)已經(jīng)很久沒(méi)有一場(chǎng)“像樣的”日食出現(xiàn)了，對(duì)于00后中學(xué)生而言，09年大日食發(fā)生在年幼時(shí)期，對(duì)此記憶并不深刻，今年的夏至日日環(huán)食是補(bǔ)上“日食課”的好時(shí)機(jī)。

此次日環(huán)食發(fā)生時(shí)間為2020年6月21日（周日）北京時(shí)間12時(shí)47分45秒至16時(shí)32分16秒，環(huán)食起于非洲中部，自西向東經(jīng)過(guò)紅海、阿拉伯半島、巴基斯坦、印度、我國(guó)中南部、東海，在菲律賓以東洋面終結(jié)（見(jiàn)圖1a）。月球影子從北京時(shí)間14時(shí)41分進(jìn)入我國(guó)西藏西南部，隨后向東穿過(guò)四川（理塘、宜賓）、貴州（赤水、思南、銅仁）、湖南（芷江、邵陽(yáng)、耒陽(yáng)）、江西（上猶、南康、會(huì)昌）、福建（武平、上杭、漳州、廈門(mén)）、臺(tái)灣（嘉義、臺(tái)東）等地（見(jiàn)圖1b）,全國(guó)其他地區(qū)可見(jiàn)不同程度的日偏食（見(jiàn)表1）。

圖1 2020年6月21日日環(huán)食經(jīng)過(guò)地區(qū)

表1 全國(guó)主要城市日食過(guò)程數(shù)據(jù)^[3]*

*注：初虧是指月球開(kāi)始遮擋太陽(yáng)時(shí)刻；食甚是月輪中心和日面中心相距最近時(shí)刻；食分是指日面直徑被遮擋部分與完整日面直徑的比值，食分≥1表示日全食，0<食分<1表示環(huán)食或偏食；復(fù)圓是指日食結(jié)束時(shí)刻。此表中的時(shí)間均為北京時(shí)間，表中廈門(mén)與贛州出現(xiàn)日環(huán)食，其他城市則為日偏食。

1.師生知識(shí)準(zhǔn)備。教師和學(xué)生對(duì)日食現(xiàn)象做好充分了解是觀測(cè)活動(dòng)高效進(jìn)行的重要保障，教師可以組織學(xué)生查閱書(shū)刊、科普紀(jì)錄片等資料，可開(kāi)展日食原理講授、安全知識(shí)等相關(guān)課程，或開(kāi)設(shè)專(zhuān)題講座以及天文館、科技館研學(xué)活動(dòng)。推薦教師使用Stellarium、Starry Night等天文軟件模擬此次日食過(guò)程。

2.設(shè)計(jì)日環(huán)食觀測(cè)方案。教師應(yīng)做好充足工作準(zhǔn)備，結(jié)合當(dāng)?shù)匾?jiàn)食情況，根據(jù)不同場(chǎng)地、不同對(duì)象、不同天氣和不同硬件條件應(yīng)采用不同的活動(dòng)方案。實(shí)地觀測(cè)宜安排在較空曠開(kāi)闊地，周?chē)鸁o(wú)高大建筑物遮擋太陽(yáng)；天氣條件不允許則安排網(wǎng)絡(luò)直播，教師提前做好此次日環(huán)食網(wǎng)絡(luò)直播平臺(tái)的收集與對(duì)接。

3.準(zhǔn)備相關(guān)器材。除日全食的食甚時(shí)段可以裸眼觀看外，日環(huán)食和日偏食均必須避免肉眼直視太陽(yáng)，嚴(yán)禁望遠(yuǎn)鏡在物鏡不加巴德膜的情況下對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，否則將嚴(yán)重?fù)p傷眼部。此次為日環(huán)食或偏食，所以相關(guān)的觀測(cè)器材準(zhǔn)備是必要的。學(xué)生個(gè)體觀測(cè)可配戴專(zhuān)用日食眼鏡，嚴(yán)禁使用墨鏡、黑膠光盤(pán)、膠片、X光片等物件觀測(cè)日食?，F(xiàn)場(chǎng)活動(dòng)還需配備天文望遠(yuǎn)鏡（如星特朗150mm折射式）一臺(tái)以上，若干雙筒望遠(yuǎn)鏡，均需在物鏡前加裝巴德膜以過(guò)濾強(qiáng)光?？蓽?zhǔn)備兩張黑紙用來(lái)小孔成像式觀測(cè)日食，一張用針戳若干小洞，另一張作投影背景使用，當(dāng)日偏食、日環(huán)食發(fā)生時(shí)有洞黑紙置于太陽(yáng)光下，背景黑紙間隔數(shù)十厘米置于其下，則分別可看到月牙狀和細(xì)環(huán)狀的光影（見(jiàn)圖2），這見(jiàn)證著正在發(fā)生的日食。拍攝器材：如果需拍攝日食全過(guò)程“葫蘆串”照片，推薦使用全畫(huà)幅或廣角鏡頭，如果用單反相機(jī)接望遠(yuǎn)鏡則注意轉(zhuǎn)接環(huán)的型號(hào)，另推薦電子目鏡連接電腦。

圖2 上：日食眼鏡；中：物鏡安裝巴德膜的望遠(yuǎn)鏡；下：小孔成像法觀測(cè)日食

4.提前模擬，關(guān)注天氣。日環(huán)食食甚時(shí)段很短，只有60秒左右，為保證觀測(cè)活動(dòng)不因差錯(cuò)耽誤時(shí)機(jī)，保證其有序開(kāi)展，教師應(yīng)提前室外模擬一次，尤其是望遠(yuǎn)鏡等器材的調(diào)試和相關(guān)人員的工作分工，針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題作出修正方案。提前一周密切關(guān)注天氣形勢(shì)，可聯(lián)系當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)做好云量預(yù)測(cè)，若出現(xiàn)陰雨天氣則切換活動(dòng)方案，若天氣晴朗則師生需做好防曬和高溫防暑措施。

日食形成是因?yàn)樵虑虻挠白油渡涞降厍虮砻?，由于月球影子與地球的接觸關(guān)系不同，則出現(xiàn)不同的日食類(lèi)型：日偏食、日環(huán)食和日全食。太陽(yáng)直徑是是月球的400倍附近，理應(yīng)看起來(lái)比月球更大，但日地距離恰好是月地距離的400倍附近，宇宙間這種完美巧合使得地面觀測(cè)太陽(yáng)與月球大致相同大小。農(nóng)歷初一，當(dāng)月球運(yùn)行到日地之間且在日地連線上時(shí)，月球的本影末端掃過(guò)地表形成圓黑斑，圓黑斑地區(qū)即發(fā)生日全食，地面看來(lái)太陽(yáng)完全被月球遮蔽。由于月球公轉(zhuǎn)與地球自轉(zhuǎn)，圓黑斑在地表自西向東移動(dòng)形成長(zhǎng)達(dá)數(shù)千公里、寬僅為200多公里的日全食帶。

圖3 日環(huán)食形成示意圖

日月的直徑是相對(duì)恒定的，而日地距離與月地距離則會(huì)隨時(shí)間的變化而變化，當(dāng)滿(mǎn)足日食條件時(shí)，月球恰好在遠(yuǎn)地點(diǎn)附近，這使得月球本影末端“夠”不著地表，其延生的偽本影投影到地表則發(fā)生日環(huán)食（見(jiàn)圖3a），地面看來(lái)太陽(yáng)只留下一圈環(huán)狀的光球?qū)?。日全食與日環(huán)食發(fā)生過(guò)程中均有日偏食，這是月球半影造成的，半影只遮擋部分太陽(yáng)光線，地面看來(lái)太陽(yáng)呈不同食分的月牙形。日偏食帶南北寬度很大，可達(dá)六七千公里，一次日全（環(huán)）食發(fā)生時(shí)全（環(huán)）食帶南北兩側(cè)數(shù)千公里可觀測(cè)日偏食，越靠近全（環(huán)）食帶則偏食的食分越大。

每月初一都會(huì)發(fā)生日食嗎？顯然不是，因?yàn)樵虑蚬D(zhuǎn)平面與地球公轉(zhuǎn)平面（黃道平面）存在5°9’的夾角。夾角雖小，但足以讓月球影子錯(cuò)過(guò)地球(如圖3b)，有時(shí)本影與半影均錯(cuò)過(guò)地球則不發(fā)生任何日食，有時(shí)半影掃過(guò)地球高緯地區(qū)，只出現(xiàn)偏食。只有朔月位于地球軌道-月球軌道交點(diǎn)附近時(shí)才能出現(xiàn)全食或環(huán)食。一般來(lái)說(shuō)，一年全球至少有兩次機(jī)會(huì)看到日食現(xiàn)象，但由于食帶很窄，時(shí)間和空間的局限性使單個(gè)地點(diǎn)觀看日食概率并不高。

待一切工作準(zhǔn)備就緒后，若6月21日天空晴朗少云，則組織學(xué)生開(kāi)展日環(huán)（偏）食觀測(cè)活動(dòng)。全體觀測(cè)成員需配戴專(zhuān)用日食眼鏡，初虧前調(diào)試好天文望遠(yuǎn)鏡和攝像設(shè)備。學(xué)生分不同小組，每組組內(nèi)成員分工合作填寫(xiě)《日食觀測(cè)記錄表》（見(jiàn)表2）。合作完成《日食觀測(cè)記錄表》考驗(yàn)著學(xué)生們動(dòng)手、觀察和地理實(shí)踐力等能力，如學(xué)會(huì)操作手持GPS機(jī)查詢(xún)當(dāng)?shù)亟?jīng)經(jīng)緯度，如對(duì)天氣的的記錄就包含了辨別不同云朵的高度與類(lèi)型，判斷它們是否影響日食觀測(cè)，再如目測(cè)太陽(yáng)高度角并用實(shí)驗(yàn)（立竿測(cè)影法）或天文軟件加以驗(yàn)證，又如記錄和描述太陽(yáng)方位的變化和月球位置的移動(dòng)考查學(xué)生對(duì)天體事物運(yùn)動(dòng)變化的深切體悟。

教師在日食的不同階段可拋出不同問(wèn)題以促進(jìn)學(xué)生觀測(cè)和深入思考，以下提問(wèn)供參考：

1.初虧、食甚和復(fù)圓三個(gè)時(shí)刻，說(shuō)出月球相對(duì)于太陽(yáng)的位置，這種位置變化的原因是？

2.北半球觀察月球是自右向左遮擋太陽(yáng)的，假如南半球中高緯也發(fā)生日食，請(qǐng)問(wèn)月球遮擋太陽(yáng)的方向還是自右向左嗎？

3.能觀測(cè)日環(huán)食的同學(xué)請(qǐng)思考：已知太陽(yáng)的視直徑是31.5’，請(qǐng)估算月球公轉(zhuǎn)角速度。提示：由初虧到食甚時(shí)間內(nèi)月球恰好公轉(zhuǎn)位移一個(gè)太陽(yáng)直徑的角距離，已知時(shí)間、距離求速度。

4.用天文望遠(yuǎn)鏡觀察日面，日面是否有太陽(yáng)黑子？若有請(qǐng)描繪太陽(yáng)黑子的位置和形態(tài)，若無(wú)，請(qǐng)查詢(xún)資料解釋原因。

5.此時(shí)此刻，我們看到的月球黑影是月球的正面還是背面？分析月球背面的白天有多長(zhǎng)，在農(nóng)歷的哪些日子是白天？

6. 能觀測(cè)日環(huán)食的同學(xué)請(qǐng)注意食甚前后的日環(huán)閃光現(xiàn)象，查閱資料說(shuō)出這種現(xiàn)象的名稱(chēng)，并分析它形成的原因。

7. 能觀測(cè)日環(huán)食的同學(xué)請(qǐng)?jiān)谑成鯐r(shí)通過(guò)望遠(yuǎn)鏡仔細(xì)尋找日冕，若發(fā)現(xiàn)請(qǐng)拍照和繪畫(huà)記錄，說(shuō)出日冕的形狀和顏色。

8.今天是夏至日，結(jié)合所學(xué)知識(shí)和今天的觀測(cè)，畫(huà)出今天太陽(yáng)周日視運(yùn)動(dòng)軌跡，并預(yù)測(cè)明天的太陽(yáng)周日視運(yùn)動(dòng)軌跡、明天同一時(shí)刻的月球位置。

9.我們這里食甚時(shí)，計(jì)算太陽(yáng)直射點(diǎn)所在經(jīng)緯度位置。

10.根據(jù)日食發(fā)生時(shí)的周?chē)饩€和氣溫的變化，闡述太陽(yáng)輻射對(duì)地球和人類(lèi)生活的影響。

表2 日食觀測(cè)記錄表*

*注：此表為示意表，表內(nèi)省略號(hào)表示與上述單元格相同。建議每隔15分鐘記錄一次觀測(cè)數(shù)據(jù)，食甚附近加密至間隔3分鐘。

活動(dòng)結(jié)束后，學(xué)生代表作PPT成果報(bào)告，教師作觀測(cè)活動(dòng)總結(jié)，部分照片和記錄可以直接生成教學(xué)素材。對(duì)于記錄表中未討論完成的問(wèn)題，學(xué)生可通過(guò)查閱書(shū)刊資料、上網(wǎng)等方式繼續(xù)研究探討。最后，參與活動(dòng)的每位學(xué)生撰寫(xiě)日食觀測(cè)心得體會(huì)，梳理所學(xué)所思。

參考文獻(xiàn)

[1] Chris Peat. SolarEclipse（2020.6.21）[DB/OL].https://www./SolarEclipse.aspx?jdmax=2459021.77865012,2020-05-19.

[2] 簡(jiǎn)單夜空.下一次，我們能在哪兒看日食？[N/OL].https://mp.weixin.qq.com/s/QySBobkc-oihz6lKW46tdA，2017-08-22.

[3]中科院南京紫金山天文臺(tái).2020年6月21日日環(huán)食[DB/OL].http://almanac./20200621rhs.htm,2020-04-03.

作者：鐘華

單位：上虞市春暉中學(xué)