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[[File:People_Shadow.JPG|180px|right|thumb|图3-10：人影。]]
[[File:Solar_eclipse_1999_4.jpg|180px|thumb|图3-11：日全食。]]
{{知识点清单|
#光是什么？它是怎么发出的？
#光怎样传播？光传播有多快？
#什么是小孔成像
#为什么会有影子？影子和光源存在什么关系？
#为什么会有日食和月食？
#日食和月食分为哪几类？
#如何才能正确观测日食？}}

还记得小时候我们常玩的“踩影子”游戏吧？有时我们在阳光下玩这个游戏，有时在灯光下。在夜晚的灯光下，我们会发现影子的方向变来变去、长度变大变小、颜色变浓变淡，真有意思！那'''[[w:影子|影子]]（Shadow）'''又是怎么回事呢？（图3-9）

我们上一节提到了“光”，'''[[w:光|光]]（Light）'''是什么？光的传播有多快？你知道吗？

有的时候，太阳和月亮会突然消失不见，那种情况分别是'''[[w:日食|日食]]（Solar eclipse）'''和'''[[w:月食|月食]]（Lunar eclipse）'''。这又是怎么回事？（图3-10）

原来，这些都和光现象有关。让我们走进那光影变幻的世界，去探索光的奥秘吧！

==光的产生与传播==
[[File:Laser_module.jpg|thumb|right|250px|图3-12：光子从激光的相干光束中射出。]]
'''光'''是什么？通俗地说，光是能量的一种表现形式，这种能量能够激起人的视觉。人们认为光既有粒子（'''[[w:光子|光子]]（ Photon）'''（图3-12））的特性也有波的特性。

能够发出光的物体叫'''[[w:光源|光源]]（Light source）'''。常见的光源有太阳、蜡烛、萤火虫、电灯等。

光不需要任何介质就可以传播，因此光既是在真空中也能传播。一般情况下光的传播路径总是直线，但如果介质改变或者受到引力等的影响光的传播路径也会改变。光只能穿过透明物质或半透明物质，不能穿过不透明物质。


{{-}}


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|图3-13：太阳。
File:Candle_black.jpg|图3-14：蜡烛。
File:Lampyris_noctiluca.jpg|图3-15：萤火虫。
File:Bombeta_de_Llum.JPG|图3-16：电灯。
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[[File:Earth_to_Sun_-_en.png|right|thumb|图3-17：阳光要花费大约8分19秒才能到地球。]]
[[File:Xiakongchengxiang.jpg|right|thumb|图3-18：小孔成像示意图。]]

{{资料阅读|60%|
*人们测定光的传播速度的历史：
:#'''早期科学家认为光的传播速度是无限的。'''
:#'''伽利略的办法：'''他认为光速有限。1638年，他请二个人提灯笼各爬上相距仅约一公里的山上，第一个人掀开灯笼，并开始计时，对面山上的人看见亮光后掀开灯笼，第一个人看见亮光后，停止计时。这是史上著名的测量光速的掩灯方案，但由于光速实在太快，所以实验没有成功。
:#'''奥勒·罗默的办法：'''1676年，奥勒·罗默使用望远镜研究木星的卫星艾欧的运动，第一次定量的估计出光速。它认为光速是地球的轨道速度的9300倍，与现在的数值10100倍比较，相差无几。
:#'''阿曼德·斐索的办法：'''1849年，用旋转齿轮法求得光速是 3.153×10<sup>8</sup> m/s。他是第一位用实验方法，测定地面光速的实验者。实验方法大致如下：光从半镀银面反射后，经高速旋转的齿轮投向反射镜，再沿原路返回。如果齿轮转过一齿所需的时间，正好与光往返的时间相等，就可透过半镀银面观测到光，从而根据齿轮的转速计算出光速。
:#'''第十七届国际计量大会上的决定：'''1983年第十七届国际计量大会上作出决定，将真空中的光速299 792 458 m/s定为精确值。按照这样计算，阳光来到地球大约需要8分19秒。（图3-17）}}

真空中光的传播速度为299 792 458 m/s，这个数值恒定不变，一般用<math>c</math>表示，近似可认为是3.0×10<sup>8</sup> m/s。空气中光的传播速度略小于真空中光的传播速度，在任何透明或半透明的介质比如玻璃和水中，光速会降低。按照这个速度，光一年大概可以传播9.46×10<sup>15</sup> m，这个长度可以称作1[[w:光年|光年]]。'''光年'''是一个距离单位，符号为'''ly'''。距离太阳最近的恒星[[w:比邻星|比邻星]]，距离我们大约4.22 ly。

光的直线传播原理有一个利用就是'''小孔成像'''。用一个带有小孔的板遮挡在屏幕与物之间，屏幕上就会形成物的倒像，我们把这样的现象叫小孔成像。前后移动中间的板，像的大小也会随之发生变化。这种现象反映了光线直线传播的性质。
中国[[w:战国|战国]]时期的《[[w:墨子|墨子]]》一书叙述了小孔成像原理。（图3-18）

==光与影==
我们知道，光传播虽然不需要介质，但无法穿过不透明的物体。如果光在传播过程中被不透明物体阻隔，光就会因为被挡住而无法传播。这时不透明物体后就会找不到光，这就产生了'''影子'''。

那么光与影有什么关系呢？我们可以通过做实验来了解光与影存在的关系。

[[File:The Cause Of The Shadow.jpg|thumb|right|图3-19：光影关系简图。图中l为平面，O为光源，AB、CD、EF、GH分别是等高的不透明物体。AB、CD在O的同距离不同方向处，可见其分别的影子A'B、C'D等长但方向不同（在光源相反方向）。GH在AB更远距离，因此其影子G'H比A'B长。EF在光源O正下方，因此不见影子。]]

{{实验探究|60%|
*'''探究光与影的关系：'''
**'''需要材料'''：一支较高的蜡烛、一支较矮的蜡烛（或其他任何柱形物体，但要比前面的蜡烛矮）、一张白纸。
**'''实验步骤'''：
**#走进一间黑暗的房间，将白纸平铺在桌面上。将高蜡烛放在白纸正中，点燃。'''（注意安全！点蜡烛时需要注意。避免让蜡烛翻倒点燃白纸！）'''
**#将矮蜡烛放在高蜡烛旁边（不点燃），任意改变矮蜡烛位置，观察矮蜡烛影子。
**'''观察'''：
**#矮蜡烛的影子方向和高蜡烛在矮蜡烛的方向有什么关系？
**#改变矮蜡烛和高蜡烛的距离，影子的长度改变吗？
**#你能清楚地看到高蜡烛的影子吗？为什么？}}

我们发现，物体的影子方向总在光源的相反方向。物体离光源越远影子越长。如果物体垂直树立在光源正下，我们将难以发现它的影子。（图3-18）

==日月食的奥秘==

有时，太阳和月亮会突然消失不见。你知道这是怎么回事吗？这就是因为发生了'''日食'''或'''月食'''。

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File:Total Solar Eclipse 8-21-17.jpg|图3-20：2017年8月20日日全食，摄于美国怀俄明州克罗哈特。
File:Solar_eclipse_of_2009_July_22_at_Hangzhou.JPG|图3-21：2009年7月22日日食的日偏食，摄于中国杭州。
File:Solar annular eclipse of January 15, 2010 in Jinan, China.jpg|图3-22：2010年1月15日日环食，摄于中国济南。
File:Eclipse01.jpg|图3-23：月全食，当地时间2003年11月8日于美国密歇根州大急流市拍摄。
File:Kuuvarjutus_Eestis_2008.jpg|图3-24：月偏食。
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{{实验探究|100%|
*'''模拟日食与月食'''：
*'''需要材料'''：一只手电筒、一个乒乓球。需要你和其他两名同学合作。
*'''实验步骤'''：
*#进入一间黑暗的房间。请你请的第一名同学拿着手电筒站在房间正中，打开手电筒，朝着某一方向。
*#请你请的第二名同学手举乒乓球站在手电筒朝着的方向，使得手电筒照到光能被看见。
*#你站在这一方向的更远处，调整自己的位置，直到乒乓球完全遮住手电筒。这时你还能看到手电筒吗？
*#你站在“手电筒”与“乒乓球”之间，调整自己的位置，试图用自己的影子遮挡住手电筒照在乒乓球上的光。这时你还能看到乒乓球吗？
*'''思考'''：将手电筒比作太阳，乒乓球比作月球，自己比作地球。思考日食月食的成因。}}


当月亮运行到地球和太阳之间，月球会遮住太阳的光芒，这时落在月球影子中的人就无法看见太阳，这就产生了日食。如果月球完全遮住太阳，叫'''日全食'''（图3-20），如果月球只遮住太阳的一部分叫'''日偏食'''（图3-21），如果月球距离地球比较远而只能遮住月球的中心，这种情况就叫'''日环食'''（图3-22）。极罕见的情况还有连续发生日环食和日全食的'''全环食'''。（日食成因图解见图3-25。）

当地球运行到月球与太阳之间，月球有可能走入地球的影子内。由于月球本身不发光，因此人们无法看到月球，或看到月球呈现古铜色，这就是月食。如果整个月球完全进入地球阴影，叫'''月全食'''（图3-23），如果只有部分月球进入地球阴影，叫'''月偏食'''（图3-24）。（月食成因图解见图3-26。）

当日全食太阳完全被月球遮住时，我们可以直接用肉眼观测。但在其他时候比如日偏食时，太阳光度依然很强。这时我们可以使用专用观测镜，也可以使用小孔成像的方法，以一张白纸作为屏幕进行观测。

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| [[File:Geometry_of_a_Total_Solar_Eclipse_zh-Hant.svg|200px|thumb|left|图3-25：日食成因图解。（月球遮挡了太阳的直射光线，导致日食出现。在本影区，直射阳光全部被月球遮挡，无法照到地球上出现日全食；在半影区，则仅有部分阳光被遮挡，出现日偏食。有时还会只有太阳中心被月球遮挡，出现日环食。）]]
| [[File:Geometry of a Lunar Eclipse.svg|200px|thumb|图3-26：月食成因图解。（地球遮挡了太阳的直射光线，导致月食出现。在本影区，直射阳光全部被地球遮挡，无法照到月球上出现月全食；在半影区，则仅有部分阳光被遮挡，出现月偏食或[[w:半影月食|半影月食]]。）]]
|{{你知道吗|300px|关于日月食的有趣事实，你知道吗？|
*日食只在朔日（农历初一）发生，月食只在望日（农历十五、十六或十七）发生。
*在日全食时，太阳周围会出现一圈日冕，它在平常并不能看到。
*月球表面有许多环形山，因此月球背面凹凸不平。日全食时，太阳通过凹凸不平的山谷射出来，形成许多明亮的光线或光点，好像一串珍珠。这被称为[[w:贝利珠|贝利珠]]现象。
*理论上，日全食的最长时间不会超过7分31秒。但日全食有重要的科研价值。为了延长观测日食的时间，法国的一位科学家竟然称作超音速飞机，追赶月亮的影子，从而使观测日全食的时间延长到了74分钟。
*如果太阳和地月运转轨道在同一平面上，就会每月朔日都发生日食，每月望日都发生月食。但它们并不在同一平面上——有一个小小的夹角。所以日月食并不常见。}}
|}

==课后自主学习==
#设计一个实验，证明光沿直线传播。
#你听说过[[w:织女星|织女星]]（天琴座α）吗？查找关于它的资料，回答：我们所看到的织女星是它什么时候的样子？
#搜集近期能观测到的日月食，按正确的方法进行观测，写观测报告。

[[Category:初中科学第一册]]