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4.3 日地月的相对运动
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本节导航·目标清单
目标导航 方法指导
· 知道光在同种均匀介质中沿直线传播 · 了解光的传播速度，知道真空中的光速 · 理解小孔成像的原理和特点 · 了解月球的运动方式及日食、月食的成因 · 通过实验探究光的直线传播规律 · 运用模型法分析日食、月食的形成过程 · 对比日食与月食的异同，加深理解
教材精研·内容全解
考点01 光的直线传播
1. 光的直线传播规律
2000多年以前，我国思想家墨翟和他的学生做了世界上第一个小孔成像实验：用一块带有小孔的板遮挡在墙体与物之间，墙体上就会形成物的倒影，并由此推测光的传播路径。墨翟指出，物体通过小孔所形成的像是倒像，据此推测光是沿直线传播的。实验表明，光在同一均匀介质中是沿直线传播的。为了形象地表示光的传播情况，我们常用一条带箭头的直线表示光的传播路线和方向，这样的线叫作光线。茂密的森林、城市的夜晚、浓雾弥漫的公路，都能看到一束束沿直线传播的光。
光沿直线传播——远离路灯时影子变长
2. 光的传播速度
光能在空气、液体、固体等透明物体中传播，也能在真空中传播。光在不同介质中传播的快慢是不同的，在真空中的传播速度最大，为 m/s，在空气中的传播速度接近于真空中的传播速度，在水中的传播速度约为真空中的四分之三，光在玻璃中的传播速度比在水中的传播速度更小。打开电灯，灯光立即照亮整个房间，正是因为光传播得非常快。光在不同介质中的传播速度不同，这也是光从一种介质进入另一种介质时传播方向发生改变的原因之一。
3. 小孔成像
小孔成像是由光的直线传播形成的。物体发出或反射的光通过小孔后，在小孔后面的光屏上形成倒立的实像。像的形状与物体相同，与小孔的形状无关。制作“针孔照相机”时，在纸盒一端开一小孔作为镜头，另一端蒙一张半透明纸作为光屏，便可观察到窗外景物的倒立像。当蜡烛和小孔的位置固定时，半透明纸（光屏）离小孔越远，像越大；离小孔越近，像越小。像的大小与物距（物体到小孔的距离）和像距（光屏到小孔的距离）有关：物距一定时，像距越大，像越大。
小孔成像实验装置 小孔成像光路示意图
【知识扩展】 4. 光的直线传播的应用与现象
光的直线传播在生活、自然和工程中有着广泛的应用。例如，“坐井观天”中井底青蛙视野受限，正是因为光沿直线传播，只有从井口射入的光才能进入青蛙的眼睛；树荫下的圆形光斑是小孔成像现象，太阳光透过树叶间的缝隙（小孔）在地面形成太阳的倒立实像；人在阳光下形成的影子，是光沿直线传播时被不透明物体挡住形成的暗区。此外，排直队伍、瞄准射击等也都利用了光的直线传播原理。日食和月食等天文现象，同样可以用光的直线传播来解释（详见后续考点）。
考点02 月球的运动
1. 月球的运动方式
月球和地球一样不会发光，太阳总是把半个月球照亮。月球自身并不发光，它能反射太阳光。月球的一面被太阳光照亮，另一面是黑暗的。正如地球绕着地轴自转的同时绕太阳公转，月球也绕着自身的轴自转并绕着地球公转。在地球上我们看到的月球的不同形状与它的公转有关。月球绕地球公转的方向是自西向东的，月球每年绕地球公转约12圈多。
2. 月球始终以同一面朝向地球
月球在自转的同时绕着地球公转，月球的自转和公转周期相同、方向相同，因此月球总是以同一面朝向地球，地球上的人始终只能看到月球正面。如果月球不发生自转，我们就可以在同一个月内看到月球的正面和背面。现在人们通过月球探测器，可以拍到月球表面清晰的照片，包括月球正面和背面的影像。
考点03 日食
1. 日食的概念与类型
地球上某些地区有时会看到太阳表面全部或部分被遮掩的现象，这种现象称为日食。日食有日偏食、日环食和日全食三种类型。当月球运行到地球和太阳之间，月球遮住了太阳的一部分时，出现日偏食；月球只遮住了太阳的中心部分，太阳周围露出一圈日面时，出现日环食；太阳完全被遮住时，出现日全食。
2. 日食的形成原因
地球带着月球绕太阳运动，当月球运行到地球和太阳之间，并且三者接近排成一条直线时，由于光是沿直线传播的，月球就挡住了太阳光形成月影，从地球上月影所在区域看太阳，太阳全部或部分被月球遮挡，就产生了日食现象。日食一般发生在农历初一，因为此时月球运行到地球和太阳之间。根据日食照片中遮掩轮廓是圆弧形，可以推测出月球的形状是圆的。日食发生时，地球上只有极少部分区域可以观测到。
日食形成示意图
3. 日食的过程与模拟实验
日全食的过程分为初亏、食既、食甚、生光、复圆五个阶段。模拟日食实验中，可用大球模拟太阳、小球模拟月球，观察者代表地球上的人。当小球（月球）位于大球（太阳）和观察者（地球）之间时，可观察到大球被遮掩的现象。要模拟日全食，需使小球完全遮住大球；要模拟日环食，需使小球只遮住大球的中心部分；要模拟日偏食，需使小球只部分遮住大球。日食过程中，太阳总是从西边开始被遮掩，东边复圆。
日环食照片
考点04 月食
1. 月食的概念与类型
有时候我们会看到月面部分或全部变暗的现象，时间可长达一个多小时，这就是月食。月食有月全食和月偏食两种类型。月全食是指月球全部进入地球本影中而变暗的现象；月偏食是指月球有一部分进入地球本影区而变暗的现象。由于地球大气对太阳光的折射，发生月食部分的月球并非全黑，而是呈暗弱的古铜色。
月食的形成与类型
2. 月食的形成原因
地球绕着太阳运动，由于光是沿直线传播的，在背对着太阳的方向会产生地球的影子，当月球进入地球影子的不同位置时，地球上的观测者将看到月全食或月偏食现象。发生月食时，太阳、地球、月球三者恰好或几乎在同一条直线上，且地球位于太阳和月球之间。月食一般发生在农历十五前后，此时月相为满月。
月食形成示意图
3. 月食的特点与现象
月食轮廓是弯曲的圆弧，这可以证明地球是圆的。发生月全食时，月球并不是全黑，而是呈暗弱古铜色，这是因为阳光穿过地球周边的大气层时，部分的红色光被大气折射至地球影子区内照射月面而使得月球呈现暗弱古铜色。月食过程中，月球从东部开始被遮掩，西部复圆，与日食的“西先亏、东复圆”方向相反。
考点05 日食与月食的比较
1. 日食与月食的异同比较
日食与月食的形成都源于光的直线传播，但两者在位置关系、发生时间、类型和盈亏方向上存在明显差异。日食是月球遮住太阳射向地球的光，发生在农历初一，类型有日全食、日环食、日偏食三种，盈亏方向为“西先亏、东复圆”；月食是地球遮住太阳射向月球的光，发生在农历十五前后，类型有月全食、月偏食两种，盈亏方向为“东先亏、西复圆”。日食时月球在太阳和地球之间，月食时地球在太阳和月球之间，两者位置关系恰好相反。
2. 日食月食不是每月都发生的原因
虽然月球每月都会绕地球公转一周，但日食和月食并不是每月都会发生。这是因为月球的公转轨道面（白道面）与地球的公转轨道面（黄道面）并不在同一个平面上，两者之间有一个5°左右的夹角。只有当月球运行到日地之间或地日之间，且三者恰好或几乎在同一条直线上时，才会发生日食或月食。大多数情况下，月球不是从太阳和地球的正中间通过，而是偏上或偏下，因此不会发生日食或月食。
避坑指南·易错辨析
【温馨提示】 1. 光沿直线传播的条件是“同种均匀介质”，不能只说“同种介质”或“均匀介质”。光在不均匀的介质中（如浓糖水未搅拌均匀时）传播路径会发生弯曲。 2. 小孔成像成的是倒立的实像，像的形状与物体相同，与小孔的形状无关。小孔无论是圆形、三角形还是方形，成的像都是物体的倒立像。 3. 日食和月食的位置关系恰好相反：日食时月球在太阳和地球之间，月食时地球在太阳和月球之间，千万不要混淆。 4. 日食发生在农历初一，月食发生在农历十五前后，两者发生的时间不同。日食的盈亏方向是“西先亏、东复圆”，月食则是“东先亏、西复圆”。 5. 月食轮廓是弯曲的圆弧，这可以证明地球是圆的，但与月球是否球形无关。月食时月球呈古铜色是因为地球大气对太阳光的折射，不是月球自身发光。
实战演练·随堂检测
【实战演练】
1. 关于光的传播，下列说法正确的是（ ）
A. 光在同种均匀介质中沿直线传播
B. 光不能在真空中传播
C. 空气中光比声音的传播速度慢
D. 光在水中的传播速度是3×10 m/s
答：__________
2. 小明用易拉罐做成小孔成像实验装置，如果易拉罐底部有一个很小的三角形小孔，将三角形小孔正立放置对准点燃的蜡烛，则他在半透明纸上看到的像是（ ）
A. 蜡烛的正立像
B. 蜡烛的倒立像
C. 正立的三角形光斑
D. 倒立的三角形光斑
答：__________
3. 月球每年绕地球公转12圈多，可我们在地球上始终只能观察到月球的正面，其原因之一是（ ）
A. 月球没有自转
B. 月球只有公转
C. 月球公转和自转的周期相同
D. 月球和地球的自转周期相同
答：__________
4. 某次日食照片显示太阳中心被遮掩、周围露出一圈日面，下列描述正确的是（ ）
A. 日食现象每月都会发生
B. 该现象发生时，轮廓是圆的，说明月球轮廓是圆的
C. 照片显示的是日偏食现象
D. 当天，地球位于太阳和月球之间
答：__________
5. 下列关于月食的说法不正确的是（ ）
A. 月食发生的原因是月球挡住了太阳的光
B. 当月球的一部分进入地球的本影时，发生月偏食
C. 月食发生的时间在农历十五前后
D. 月全食发生时，太阳、地球与月球在同一直线上
答：__________
6. 请简述日食的形成原因，并说明日食发生的条件和时间。
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7. 请简述月食的形成原因，并说明为什么月食轮廓是弯曲的圆弧。
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8. 比较日食和月食在形成原因、发生时间、类型等方面的异同。
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巩固拓展·课后提升
【巩固拓展】
1. 利用光的直线传播原理，画图说明障碍物后哪些区域可以不被士兵发现。（需标出光的传播方向，范围用阴影表示）
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2. 小宁用硬纸筒制作“针孔照相机”探究小孔成像。他发现蜡烛和小孔的位置固定后，移动内筒改变半透明薄膜到小孔的距离，像的大小会发生改变。请说明像的大小与像距（半透明薄膜到小孔的距离）的关系。
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3. 发生日全食和月全食时，太阳、地球、月球三者的位置关系有什么不同？请画图说明。
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参考答案
1. A 解析：光在同种均匀介质中沿直线传播，A正确；光能在真空中传播，B错误；空气中光比声音的传播速度快，C错误；光在真空中的传播速度为3×10 m/s，在水中速度更小，D错误。
2. B 解析：小孔成像由光的直线传播形成，物体经过小孔成的是倒立的实像，不是光斑，像的形状与物体相同，与小孔的形状无关，B正确。
3. C 解析：月球自转和公转的周期相同、方向相同，在这种状态下，月球总是以同一面朝向地球，因此地球上始终只能观察到月球的正面，C正确。
4. B 解析：日食现象可用光的直线传播解释，轮廓是圆的，说明月球轮廓是圆的，B正确；日食并非每月都发生，A错误；照片显示的是日环食，C错误；发生日食时月球在太阳和地球之间，D错误。
5. A 解析：月食是地球挡住了太阳射向月球的光形成的，不是月球挡住太阳的光，A说法错误；月球的一部分进入地球本影时发生月偏食，B正确；月食发生在农历十五前后，C正确；月全食时太阳、地球、月球在同一直线上，D正确。
6. 日食的形成原因：当月球运行到地球和太阳之间，并且三者接近排成一条直线时，由于光沿直线传播，月球挡住了太阳光形成月影，从地球上月影所在区域看太阳，太阳全部或部分被月球遮挡，就产生了日食现象。日食发生的条件是日、地、月三者接近排成一条直线且月球在中间，发生时间为农历初一。
7. 月食的形成原因：地球绕着太阳运动，由于光沿直线传播，在背对着太阳的方向产生地球的影子，当月球进入地球影子的不同位置时，地球上的观测者将看到月全食或月偏食现象。月食轮廓是弯曲的圆弧，是因为地球是球形的，地球投射到月球上的影子边缘是圆弧形，这也可以证明地球是圆的。
8. 相同点：日食和月食都由光的直线传播形成。不同点：①位置关系——日食时月球在太阳和地球之间，月食时地球在太阳和月球之间；②发生时间——日食在农历初一，月食在农历十五前后；③类型——日食有日全食、日环食、日偏食三种，月食有月全食、月偏食两种；④盈亏方向——日食西先亏、东复圆，月食东先亏、西复圆。

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