内容正文:
主题六
月 相
第一部分 基础知识
月 相
苏轼《水调歌头》词云:“人有悲欢离合,月有阴晴圆缺。”月因何有圆缺变化,步入百草园,开启月亮之旅。
月球是地球唯一一颗卫星,其绕地球公转,与地球共同构成地月系。在这一系统中,地球、月球本身都是不发光的,所以,我们看到月球发出的亮光实际来自于太阳——太阳光照射到月球上,月球反射太阳光使其变得明亮,我们所看到的月球亮面部分即为月相。因月球处在不断公转过程中,公转一周为一个月,期间月球与地球、太阳的相对位置在时刻发生变化,每月重复。这样,我们在整月中都会观察到不同的亮面形状。太阳、地球、月球的位置(非按比例)
由此看出,月相变化的实质就是月球、地球和太阳三者的位置关系,这一位置关系将统领本主题内容。我们正是以此为基础,依次说明几种典型月相及其相关要点。
最基本的四种月相位置2:地球位于太阳和月球之间
月相:满月
日期:十五
特点:这一天,当地球某点自转至图示月出位置时,向东看恰好可看到月亮在地平线上,此时太阳恰好日落;地球自转至午夜0时时,此时月球高度达到最大,一轮圆盘悬于高空;地球自转至月落位置时,向西看月亮落至地平线,此时太阳正要升起。可以得到:
① 月球与太阳此升彼落;
② 月球整晚在天上,直至日出,可赏月一整晚。(两特点均与初一相反)
位置1:月球位于太阳和地球之间
月相:新月
日期:初一(为一个月的开始)
特点:这一天,当地球某点自转至图示月出位置时,向东看恰好可看到月亮在地平线上,此时太阳也正好升起;地球自转至正午12时时,此时月球(太阳)高度达到最大;地球自转至月落位置时,向西看月亮(太阳)正落至地平线。可以得到:
① 月球与太阳同升同落;
② 虽然月球在天上,但实际几乎是看不到月亮的,因为此时月球均是在白天出现且为暗面朝向地球。
疑问:
上、下弦月都是半个月面,在现实天空中如何根据月相区分:
位置3:月球位于与太阳垂直一侧
月相:上弦月
日期:初七、八
特点:这一天,当地球某点自转至图示月出位置时,向东看恰好可看到月亮在地平线上,此时地球正值正午12时;地球自转至18时(日落)时,此时月球高度达到最大,黄昏弦月位于高空;地球自转至月落位置时,向西看月亮落至地平线,此时恰好午夜0时。可以得到,①因在白天,月球从升起到最高我们观察不到,当看到时月球已在西半天空;②并且只存在于上半夜。
N
位置4:月球位于与太阳垂直另一侧
月相:下弦月
日期:二十二、三
特点:这一天,当地球某点自转至图示月出位置时,向东看恰好可看到月亮在地平线上,此时地球正值午夜0时;地球自转至6时(日出)时,此时月球高度达到最大,黎明弦月位于高空;地球自转至月落位置时,向西看月亮落至地平线,此时恰好正午12时。可以得到,①因在白天,月球从最高到西落观察不到,观察到的月球只在东半天空;②并且只存在于下半夜。与上弦月相反。
如图所示,我们在地球上观察月球,其亮面的朝向我们在图中可直接用自转方向确定。当上弦月时,其亮面朝西方;当下弦月时,其亮面朝东方。
注:
1 为了能更清楚看到月相变化,上图中均将月球进行放大。实际地球大小约是月球的49倍;
2 图示地球均为北极俯视图;
3 上图均以地球昼夜平分这一天为例,而且只是从理论上说明什么时候能看到,什么时候看不到月亮,现实情况略有不同。如:北半球冬半年时,在18点才能看到的上弦月会提前看到,因为此时日落变早,实际看到的时间也就提前;同理,若北半球夏半年,日落变晚,实际看到的时间也会延后。再如:我们上面均假设白天看不到月亮,现实中,有时太阳在天空但能看到月亮,因天空亮度太低所致,一般在日出、日落时发生,太阳光无法将月球反射光掩盖。
4 描述月相时日期均为阴历日期,而非阳历。
(重要)方法:
为能准确识记上、下弦月的特点,一般有以下口诀辅助,即:
上上上西西
下下下东东
注解:
上弦月是在上半月,上半夜能看到,亮面朝西,在西半天空。
下弦月是在下半月,下半夜能看到,亮面朝东,在东半天空。
上面我们已经分别解释了太阳、地球和月球的四种位置关系,如果再细分还会有四种(斜向),在这里不再一一介绍,下面将这八种情形示意如下,可在上面理解的基础上逐一分析:
自检思路:在分析时,逐个观察每一月相:
① 形态、名称;② 月出、月中、月落分别约是地球上什么时刻;③ 能观察到月球的时间范围(假设白天看不到);④ 能观察到的时间和看不到的时间哪个占比大等。
下弦月
二十二、三
(下)娥眉月
(或残月)
亏凸月
N
满月(望)
十五
新月(朔)
初一
(上)娥眉月
盈凸月
上弦月
初七、八
月球绕地球公转(自西向东)与月相示意图
第二部分 重点知识讲解
通过上面的介绍,我们已经初步了解月相的形成和运行规律,关于月球,还有一些问题需要我们探索,搞明白这些疑问,才能轻松应对考试中出现的各色问题。
探索一 月相与日期
月球公转
月球绕地球实际公转一周的时间为27.32天,称为恒星月。我们平时农历中用的并非此时间,而是朔望月(或太阴月),即根据月相盈亏变化确定的周期,为29.53天。
日常使用不用小数,为了方便,我们将一个月确定为29天或30天,29天的月称为小月,30天的月称为大月,具体本月是大月还是小月,则需要根据实际月相进行推算确定,需要专业人员发布,人们查阅日历得知。这与阳历中1、3、5、7、8、10、12月为31天,4、6、9、11月为30天,2月不固定的规则不同。
所以在这里需要注意的是,与月相有关的时间我们用的都是农历时间,不是阳历,其规则与阳历是完全不同,不要混淆。如:2023年9月29日,日落后看到一轮圆月从东方升起。此处9月29日只是阳历日期,如果判断农历日期应根据月相,按后半句表达,此时正值十五。
拓展:【头脑风暴 关联一与此同理】
为什么一个月会有两种时间,下面做简单解释:
当月球位于①位置时,绕地球360°后到达同样位置,中间所用的时间即为公转周期,也就是到达图中②位置,测量用时27.32天,也就是实际公转一周的时间。
从另一视角看,月球位于①时为满月,当到达②位置时显然并不是满月,我们在地球上看,并不会认为这是一个月,只有当到达③位置时,再次出现满月,我们认为一个月到了,而此时实际已经比真实一周又多转了一些角度和时间,总共29.53天,这是我们通过观察月相得到的一个月。
总而言之,造成两种结果的根源在于,地球在这一个月不是静止的,而是同时在绕日公转,从而产生此结果。
恒星月、朔望月区别示意图
探索二 月球与潮汐
潮汐是海水在引潮力作用下所产生的周期性运动。白天涨落的叫潮,晚上涨落的叫汐,总称潮汐。一般每日涨落两次,也有涨落一次的。潮汐还是海水运动的三种形式之一,另两种为波浪、洋流。
1、潮汐如何产生
引潮力
引发潮汐涨落最主要的力量来自——引潮力,只有了解它才能真正理解潮汐的发生原理。
(1)基本解释:
引潮力是太阳和月球引力和地球绕地月公共质心旋转产生的惯性离心力的合力。
① 引力:即万有引力,主要是太阳和月球对地球施加,其他星体作用较小;
② 惯性离心力:简单说,就是做圆周运动的物体收到的向外甩的力。如:坐汽车拐弯时,我们感觉自己向汽车一侧甩,这一“感觉”即惯性离心力。
地月系中,表面上月球绕地球旋转,实际是两者共同绕其公共质心旋转,因地球比月球质量大得多(约81倍),所以两者的公共质心仍位于地球内(如下左图)。下右图模拟地月系,大沙包为地球,小沙包为月球,为使旋转平衡应将手(质心)抓在大沙包一侧,大、小沙包都受向外的惯性离心力(向外甩)。虽然质心在地球内部,但地球是一个整体,地球上任何一点惯性离心力均向外。
地月系惯性离心力模拟演示
地月系质心位置
2、作用过程
在前述理解的基础上,具体分析月球对地球的作用,从而说明潮汐的发生原理。(严谨说明此问题需要物理计算,在此没必要,我们通俗解释只说明问题即可)
如(图1) A、O、B三点,
惯性离心力:受向外“甩”的惯性离心力影响,其方向朝外且各处“甩”的力度是一样的,所以都相等。
引力:两物体越近,引力越大;越远,引力越小。所以A>O>B。
两个力的比较,
O点位于地球中心,受力平衡,引力=离心力;
A点离月球近,受到的引力较O处大,引力>离心力;
B点离月球远,受到的引力较O处小,引力<离心力。
两个力的合力即引潮力(图2),
A处,受向月球方向的引潮力;B处,受离月球方向的引潮力。(这也是地球背月一侧为什么也会涨潮的原因)
地球上的海水在这一力作用下,发生海水上涨(图3)。此时,
当地球上某一点转至A处时,涨潮;继续旋转至侧面,落潮;
旋转至B处,再次涨潮;至侧面,落潮;回到A,又涨潮。
旋转一周潮水涨落两次,周而复始,即为潮汐。
图1
图2
图3
3、潮汐与月相
上面以月球为例说明了潮汐发生的基本原理,但在地球实际运转过程中,是同时受太阳、月球两大星体影响的(其他忽略不计)。我们再以上面的原理为基础,具体说明地球上的潮汐。
太阳对地球也会产生同样的引潮力,在此不赘述。值得一提的是,太阳的引潮力较小,只有月球引潮力的一半,所以可以说,地球上的潮汐主要由月球引起,太阳对潮汐大小会产生影响。这样,我们将潮汐分为下面两种:
太阴潮:由月球引潮力引起的潮汐
太阳潮:由太阳引潮力引起的潮汐
不同月相对应的潮汐
月相:上、下弦月
日期:初七、八 二十二、三
说明:如图所示,
当地球某地位于A、B点时,受月球引潮力影响形成高潮,但此时因侧面同时又受太阳引潮力影响,吸引一部分海水,导致A处潮位并不高。高潮位位置达一月中最低,称为小潮;低潮位位置达一月中最高。
月相:新月 日期:初一
说明:如图所示,此时地球、月球、太阳处于同一条直线上,产生的引潮力会相互叠加。
为更好区分,潮汐内侧是由月球引潮力引起的,外侧是由太阳引潮力引起的,此时引起的高潮一月中最高,称大潮,低潮位最低。
月相:新月 日期:初一
说明:如图所示,此时地球、月球、太阳处于同一条直线上,产生的引潮力会相互叠加。
为更好区分,潮汐内侧是由月球引潮力引起的,外侧是由太阳引潮力引起的,此时引起的高潮一月中最高,称大潮,低潮位最低。
月相:满月 日期:十五
说明:与初一相似,此时地球、月球、太阳处于同一条直线上,产生的引潮力相互叠加。
此时引起的高潮同样是大潮,低潮位最低。
潮汐 核心总结
总而言之,潮汐是引潮力作用下形成的。一般每日两次涨潮两次落潮。新月(初一)、满月(十五)为大潮,上、下弦月为小潮。
潮汐 核心总结
总而言之,潮汐是引潮力作用下形成的。一般每日两次涨潮两次落潮。新月(初一)、满月(十五)为大潮,上、下弦月为小潮。
探索三 日食、月食
与月球有关的还有两种天文现象——日食、月食。日食和月食发生的实质是星体间的相互遮挡,仍旧与日地月三者的位置有关。下面对这两种现象进行逐一说明。(日、月食种类及过程等问题不考查,在此不深入)
月食
地球位于太阳和月球之间时,如果三者正好处在一条直线时,地球就会挡住太阳射向月球的光,这时就会发生月食现象。当月食发生时:
① 从月相看,此时为满月;
② 从日期看,此时为农历十五(望日);
③ 从潮汐看,此时为大潮。
与日食相反,地球体积较大,产生的阴影面积大,使月食持续时间更长,可达一小时以上。
日食
又叫做日蚀,是月球运动到太阳和地球之间,如果三者正好处在一条直线时,月球就会挡住太阳射向地球的光,月球身后的黑影正好落到地球上,这时发生日食现象。结合前面介绍的知识,我们可以得出,当日食发生时:
① 从月相看,此时为新月;
② 从日期看,此时为农历初一(朔日);
③ 从潮汐看,此时为大潮。
因月球相对小,遮光面积有限,导致日食持续时间很短,一般几分钟。
月食
地球位于太阳和月球之间时,如果三者正好处在一条直线时,地球就会挡住太阳射向月球的光,这时就会发生月食现象。当月食发生时:
① 从月相看,此时为满月;
② 从日期看,此时为农历十五(望日);
③ 从潮汐看,此时为大潮。
与日食相反,地球体积较大,产生的阴影面积大,使月食持续时间更长,可达一小时以上。
问题:为什么不是每个月都有日食、月食?
上面介绍到,日食在初一发生,月食在十五发生。但我们知道,并不是每月的初一、十五都会发生日月食。原因是,并不是每个月三者都位于一条直线上,月球轨道(白道)与地球轨道(黄道)之间有约5°9′的夹角。下面具体说明。
不是每月都发生日月食的解释
图1
地球绕太阳运转的轨道称为黄道,所在面称为黄道面;月球绕地球运转的轨道称为白道,所在面称为白道面。白道面与黄道面存在约5°9′的夹角,如图。
只有初一时,月球恰好转至三点一线上,此时才会发生“日食”(图1)。大多数情况下,初一时月球与图2相似,位于太阳与地球之间,但并不在一条直线上,不会发生日食。
不每月发生月食的道理与此相似。
图2
第三部分 知识关联
关联一 恒星日、太阳日
上面我们在介绍月球时说明了恒星月与朔望月的区别,都是描述一个月的长短。回想我们在学习地球运动时也提到两个概念——恒星日、太阳日,这是描述一天的长短。区分这一组与上面相似。
如图1所示,当地球某点A(正午位置)跟随地球自转一周再次到达A(正午位置)时,所隔时间即为一天,那为什么会出现两个时间?
上面说的情况实际是假设地球只自转,不公转,但实际地球一天不仅自转一周,而且还会公转一个小角度,如图2。观察A点,地球自转一整周360°后应当仅到达B点,此时是地球真正的周期,经过的时间为23小时56分4秒,我们称为恒星日。
我们平时不用这一时间,通过光照图可以看到,B点并不是正午,我们并不会认为这已经到了一天,而是要再转到A才算,也就是从第一天正午到第二天正午,现在经过的时间为24小时,我们正是用这一时间记录一天时长,称为太阳日。
(恒星年与回归年这一组概念与上面略有差异,本专题不再展开。)
图 1
图 2
关联二 月相与诗词
“今人不见古时月,今月曾经照古人。”自古以来,月亮就是诗人反复吟诵的对象,某些题目会涉及诗词和月相的关系,以下逐一说明。
月之古诗词
月落乌啼霜满天,江枫渔火对愁眠,姑苏城外寒山寺,夜半钟声到客船。——《枫桥夜泊》张继
【“月落”正值“夜半”】(上上上西西)上弦月
去年元夜日,花市灯如昼,月上柳梢头,人约黄昏后。——《生查子·元夕》欧阳修
【“元夜”:元宵节,正月十五】满月
风回日暮吹芳芷,月落山深哭杜鹘。——《黄陵庙》李群玉
【“日暮”也正好“月落”】新月
采莲去,月没春江曙。——《采莲曲》李康成
【“月没”恰好是黎明“曙”光】满月
今宵酒醒何处,杨柳岸晓风残月。——《雨霖铃·寒蝉凄切》柳永
【“残月”】下娥眉月
明月几时有,把酒问青天。——《水调歌头·明月几时有》苏轼
【该词为中秋节所作,八月十五】满月
海上升明月,天涯共此时。——《望月怀古》张九龄
【中秋节思亲】满月
春江潮水连海平,海上明月共潮生。——《春江花月夜》张若虚
【诗描写的是圆月夜风景】满月
人闲桂花落,夜静春山空。月出惊山鸟,时鸣春涧中。——《鸟鸣涧》王维
【“夜静”时“月出”】(下下下东东)下弦月
晓随残月行,夕与新月宿。——《客中月》白居易
【“残月”、“新月”】下娥眉月到月初
可怜九月初三夜,露似珍珠夜似弓。——《暮江吟》白居易
【“九月初三夜”】上娥眉月
关联三 河口潮汐
在大潮来临时,由于一些原因,某些河流入海口位置会形成潮位较高的潮水,其中中国钱塘江大潮、南美洲的亚马孙潮、南亚的恒河潮并称为世界三大强涌潮河流。下面对其成因进行分析。
钱塘江大潮
我国浙江杭州湾的钱塘江潮举世闻名。尤其是每年的农历八月十五前后,涨潮时汹涌的潮水顺着钱塘江逆流而上,如万马奔腾,格外壮观,吸引了大量的中外游客前往观看。原因如下:
1 天体引力:农历八月十五前后,太阳、月亮和地球差不多在一条线上,日、月对地球引力最大,月球引潮力最大,钱塘江口潮差大;
2 河口形状:杭州湾为三角形海湾,喇叭形河口,外宽内窄、口大内小,海水进入湾中,海潮涌起,潮位堆高,潮差大;
③ 盛行风:夏秋季节夏季风(东南季风)盛行,又加剧了潮势。
④ 河流径流量:夏秋季节降水丰富,钱塘江河流径流量大,河水与海水相顶托,潮差大。
恒河潮
分析恒河河口潮汐潮位高的原因:
1 河口形状:河口为喇叭形,潮水涌入由宽变窄,潮位被推高
2 盛行风:夏季,河口受夏季风(西南季风)影响,季风顺潮流方向推高潮位;
3 河流径流量:夏季降水多,河流径流量大,水位高,入海河水与海水相顶托,抬高潮位。
亚马孙潮
分析亚马孙河口潮汐潮位高的原因:
① 河口形状:河口为三角形或喇叭形,潮水涌入由宽变窄,潮位被推高;
② 盛行风:河口受东北信风(信风)影响,信风顺潮流方向推高潮位,风助潮势;
③ 河流径流量:该河流年径流量大,水位高,入海河水与海水相顶托,抬高潮位。
总 结
河口大潮形成原因分析:
① 天体引力,正值天文大潮,初一、十五;
② 河口形状:喇叭口型,外宽内窄;
③ 盛行风助力;
④ 河流径流量,净流量大,抬高潮位。
关联四 潮汐发电
潮汐能,指海水潮涨和潮落形成的水的势能,常用潮汐能进行发电,具有清洁、无污染、可再生、储量大的特点。
潮汐发电原理
在涨潮时将海水储存在水库内,以势能的形式保存,然后,在落潮时放出海水,利用高、低潮位之间的落差,推动水轮机旋转,带动发电机发电。与陆地水电站的原理相似。
潮汐发电过程
海水退潮时,
海水水位低于水库水位,水库水向海洋流动,推动水轮机运转。
海水涨潮时,
海水水位高于水库水位,海水向水库流动,推动水轮机运转。
关联五 潮汐锁定
潮汐锁定,是指使天体永远以同一面面对着另一天体的现象。在地月系中,受地球影响,月球始终以固定的一面朝向地球。
如右图,月球上某一固定A点,在公转过程中同时也自转,但自转速度很慢,A点始终面向地球,所以对于月球来说,其公转周期和自转周期是一样的,均为一个月,月球上的一个月同样也是一天。
月球自转与公转示意图
第三部分 实题演练
(2015·上海 26、27)下图所示为某天日、地、月三者的相对位置,箭头为地球公转方向。
1、从该日起大约经过4天,在上海能够看到的月相是
A.新月 B.上弦月 C.满月 D.下弦月
2、假设一个月内会发生月食现象,则月球从图示位置开始,到出现月食,大约需要的天数是
A.3天 B.8天 C.12天 D.16天
【答案】1、B 2、C
【解析】1、月球与地球公转方向都是自西向东,图中为逆时针。观察日、月、地三者的位置,月球正处于新月与上弦月之间,初三、四左右,距上弦月(初七、八)恰好4天。B正确。
2、月食在农历十五才能发生,日、月、地三者位于同一条直线上。图示月球初三、四左右,约12天后农历十五。C正确。
(2016·上海 3、4)下图为北半球中纬度某地,半个月内清晨6时出现的月相示意图。
3、当月球出现在天际最高位置甲处时,其月相是
A.满月 B.上弦月 C.新月 D.下弦月
4、当月球出现在天际的乙位置时,有可能发生的现象是
A.日食、大潮 B.日食、小潮
C.月食、大潮 D.月食、小潮
【答案】3、D 4、A
【解析】1、甲两侧分别为娥眉月和凸月,可知甲应为弦月,根据甲左侧娥眉月亮面朝向,可知甲处亮面也朝左。判断上弦月还是下弦月需要明确其亮面朝什么方向。根据①满月时特点——太阳与月球此升彼落;②图示时间为6时,为日出时间。推断图中右侧满月处为西。则甲处弦月亮面朝东,弦月为下弦月(下下下东东),D正确。
4、乙位置应为新月(初一),此时月球位于太阳和地球之间,发生日食,并有大潮。A正确。
(2020·上海 2)5、2020年3月28日傍晚,某一中学天文爱好者观测拍下“金星伴月”一幕,当天的农历日期是
A.三月初五 B.三月十二 C.三月十九 D.三月廿六
【答案】5、A
【解析】此时为娥眉月,排除B、C。我国看月亮都是在南部天空,则左为东,右为西,此时月球亮面朝西,应在上半月(上上上西西),A正确。
(2020·上海 19 )6、从上弦月到满月的变化过程中,宇航员从月球观察蓝色的地球,看到的是
A. 地球亮面减少 伴有无东升西落现象
B. 地球亮面减少 没有东升西落现象
C. 地球亮面变大 伴有无东升西落现象
D. 地球亮面变大 没有东升西落现象
【答案】6、B
【解析】当上弦月时,如右图,假设宇航员位于月球上A点,其看到的也是地球的一半,当公转至满月位置时,看到的都是地球的黑夜部分,这期间地球亮面在减少,排除C、D。受潮汐锁定影响,月球始终固定的一面朝向地球,从上弦月到满月月球只逆时针自转了90°,即A点的位置变化,并不会有东升西落出现,B正确。解析图
(2020·江苏 7)7、2020年4月8日22时,小明在上海观赏了“超级月亮”。下图为月亮视直径最大与最小时的对比示意图。从天体运动位置看,此时
A. 月球位于远地点附近 B. 月球位于近地点附近
C. 地月系位于远日点附近 D. 地月系位于近日点附近
【答案】7、B
【解析】观察某物体时,距离越近看到的越大,包括星体,A错误,B正确。与地球绕日轨道一样,月球轨道也非正圆,而是椭圆。地月系整体移动并没有改变地月间的距离,不会影响地球看月球的大小,排除C、D。
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