初中科学/3.2 光影变幻与日月食
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！那影子（Shadow）又是怎么回事呢？（图3-9）
我们上一节提到了“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，那种情况分别是日食（Solar eclipse）和月食（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
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（光子（ Photon）（图3-12））的特性也有波的特性。
能够发出光的物体叫光源（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3-14：蜡烛。 -
图3-15：萤火虫。 -
图3-16：电灯。
真空中光的传播速度为299 792 458 m/s，这个数值恒定不变，一般用表示，近似可认为是3.0×108 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9.46×1015 m，这个长度可以称作1光年。光年是一个距离单位，符号为ly。距离太阳最近的恒星比邻星，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。 中国战国时期的《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。
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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图3-20：2017年8月20日日全食，摄于美国怀俄明州克罗哈特。 -
图3-21：2009年7月22日日食的日偏食，摄于中国杭州。 -
图3-22：2010年1月15日日环食，摄于中国济南。 -
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。 -
图3-24：月偏食。
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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课后自主学习
- 设计一个实验，证明光沿直线传播。
- 你听说过织女星（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。