秦友華
隨著科技的進步,多國火星探測器的發(fā)射成功,系列星空探測活動的開展,星空探測類研學越來越多成為高考試題命制的鐘情點和高頻考點,同時也成為高考試題的難點。本文從地內(nèi)和地外行星兩個方面,例談行星視運動規(guī)律,以期突破星空類高考試題。
一、行星視運動相關(guān)概念
1. 合:太陽系中的兩顆行星運動到同一直線時稱為“合”。地內(nèi)行星位于地球與太陽之間的叫“下合日”,其與地球分列太陽兩側(cè)的為“上合日”。地外行星位于太陽背后的為“合日”。
2. 沖:地外行星與地球的連線和地球與太陽的的連線夾角為180°。地外行星和太陽位于地球的兩側(cè)稱為地外行星的“沖日”。
3. 大距:地內(nèi)行星與地球的連線和地球與太陽連線的角距離達最大值時—“大距”。位于太陽東側(cè)的為“東大距”,位于太陽西側(cè)的為“西大距”。大距前后是觀測地內(nèi)行星的最佳時機。因此,地內(nèi)行星只是在傍晚或凌晨時可觀測。
4. 方照:地外行星與地球連線和太陽與地球連線垂直時稱為“方照”。地外行星位于太陽東側(cè)時為“東方照”,位于太陽西側(cè)時為“西方照”。
二、地內(nèi)行星視運動(以金星為例)
金星和地球在圍繞太陽公轉(zhuǎn)時,其公轉(zhuǎn)周期比地球公轉(zhuǎn)周期短,小于一個恒星年。于是金星在繞日公轉(zhuǎn)過程中就不斷超越地球,在地球上可觀測到金星和太陽之間存在會合周期的視運動。圖1為金星的視運動示意圖。
當金星、太陽和地球位于同一直線上,金星和太陽位于地球的同側(cè),即“上合日”。此時金星和太陽同升同落,白天太陽光遮蓋了金星,金星不可見,夜晚沒入地平線下也不可見。
從上合日開始金星逐漸向東偏離太陽,到“東大距”時視角達最大值,此時,當太陽落山,金星滯后于太陽落山,傍晚時分可見于西方天空特別明亮的昏星——長庚星。
“東大距”后金星又逐漸靠近太陽,金星仍在太陽以東,傍晚時分西方天空仍可見,還是一顆昏星,只是沒有“東大距”時明亮。
當金星、太陽和地球再次位于同一直線上,金星位于太陽和地球中間,即“下合日”。此時金星和太陽幾乎一齊從東方升起,白天它淹沒在太陽的光輝之中,傍晚又和太陽一齊下山,所以我們看不見它。有時白天可見金星的黑影在日面上自東向西移動,此現(xiàn)象稱為“金星凌日”。(“凌日”只是地內(nèi)行星在“下合日”時才可能發(fā)生)。
過了“下合日”金星便偏離太陽往西。金星先于太陽落山,傍晚看不見。同樣金星早于太陽從東方升起,在黎明前的東方可以看到一顆明亮的晨星——啟明星。此后它向西偏離太陽的角距離一天天增加,一直到增大到最大值——“西大距”?!拔鞔缶唷睍r金星特別明亮,這是觀察金星的又一最佳時機。
西大距后金星又逐漸靠近太陽,但仍然在太陽以西,黎明前可見。一直到與太陽會合,
以后它再次成為昏星,周而復(fù)始,年復(fù)一年重復(fù)“上合日→東大距→下合日→西大距→上合日”的周期性視運動。
在一個會合周期中,金星視運動可以簡單歸結(jié)為下表1:
水星公轉(zhuǎn)的軌道位于金星內(nèi)側(cè),在地球上觀測視角較金星小,在傍晚和凌晨不易見,僅大距時或凌日時能見其身影。
注意:行星公轉(zhuǎn)是自西向東,“東大距”是人面向太陽,地內(nèi)行星位于太陽的左側(cè)的最大視角距離;“西大距”是地內(nèi)行星位于太陽的右側(cè)。按運動方向,“西大距”位于“東大距”的東方。
三、地外行星視運動(以火星為例)
火星軌道位于黃道的外側(cè),其公轉(zhuǎn)周期較地球長,大于一個恒星年,其在公轉(zhuǎn)的過程中不斷被地球超越。在地球上可見火星和太陽進行周期性的會合視運動。圖2為火星的視運動示意圖。
當火星和太陽、地球位于同一直線上,火星位于太陽的背面,稱為“合日”。“合日”時火星和太陽同升同落,白天太陽光照強看不見火星,夜晚沒入地平線下也看不到火星。
“合日”后,火星由于公轉(zhuǎn)速度較地球慢,火星相對地球是自東向西運動,即逐漸偏離太陽向西運動。它先于太陽從東方升起,在黎明前的東方天空可以看見它,此時是一顆晨星。
隨著火星與太陽的角距離逐漸加大,每天升起時的時間也一天天的提前,當火星與地球連線和太陽與地球連線成90度角時,稱為“西方照”。在“西方照”時火星在子夜時分從東方升起,當日出時,火星位于正南方,因此,只有下半夜見于東南方天空。
“西方照”后火星與太陽的距離進一步加大,從東方升起時間更一步提前,當火星與地球連線和太陽與地球連線成180度角時——“沖日”。“沖日”時火星與太陽是此升彼落,太陽一落山,火星就從東方升起,次日早晨,太陽剛升起時它就在西方落山,徹夜可見。如在近日點附近,即“大沖”,這是火星觀測的最佳時間。
“沖日”過后,火星位于太陽以東,逐漸靠近太陽,火星從東方升起的時間由傍晚超前到下午,大半夜都能見;當火星與地球連線和太陽與地球連線成90度時, 即“東方照”?!皷|方照”時火星正午時從東方升起,太陽一落山,火星就出現(xiàn)在正南方天空,子夜時分從西方落下。上半夜西南方天空可見。
“東方照”后火星進一步向太陽靠近,當火星與太陽、地球又在同一直線上時,就進入下一個會合周期的“合日”。如此循環(huán)往復(fù),周而復(fù)始地重復(fù)“合日→西方照→沖日→東方照→合日”的視運動。
在一個會合周期中,火星視運動可以簡單歸結(jié)如下(表2):
肉眼可以看到的地外行星有火星、木星、土星;其視運動的規(guī)律與火星相似,都是“合日”后一天天提前升起,“沖日”后一天天提早落下。
注意:地外行星繞日自西向東公轉(zhuǎn),由于地外行星公轉(zhuǎn)的速度慢于地球公轉(zhuǎn)的速度,其視運動表現(xiàn)為相對太陽呈順時針循環(huán)。
四、典型例題
【例1】(2020年江蘇模擬)某校地理老師帶領(lǐng)同學們進行星空觀察,在繁星中找到了金星、火星和木星,其位置關(guān)系如圖3所示。據(jù)此完成下面問題。
(1)圖4選項中能正確表示此時圖3中各行星在太陽系結(jié)構(gòu)示意圖中位置關(guān)系的是(? )
解析:圖3中金星位于西方地平線上,說明是傍晚時分,金星只是在“東大距”附近時出現(xiàn)在西方天邊;傍晚時分火星位于正南方天空,說明火星正午時分從東方升起,應(yīng)為火星的“東方照”;木星位于火星的東側(cè),說明木星滯后于火星從東方升起,木星未到“東方照”,在“沖日”和“東方照”之間,如圖5。
答案:C
【例2】北京時間2020年7月23日12時41分,在中國文昌航天發(fā)射場(19.61°N,100.72°E) ,我國用長征五號遙四運載火箭成功發(fā)射首次火星探測任務(wù),正式開啟火星探測之旅。“天問一號”于2021年2月進入環(huán)火星軌道。圖6為“‘天問一號飛行軌跡及發(fā)射與到達時火星的位置示意圖”。讀圖6,回答下面問題。
(1)“天問一號”發(fā)射和到達時,天文愛好者肉眼觀測到火星的主要時間段分別是( )
A. 上半夜 下半夜? ?B. 上半夜 上半夜
C. 下半夜 上半夜? ?D. 下半夜 下半夜
解析:圖示“天問一號”發(fā)射時火星位于“西方照”,如圖7“西方照”時火星子夜時分從東方升起,日出時位于正南方天空,日出后消失,最佳觀測時間為下半夜東南方天空。
“天問一號”到達火星時,火星位于“東方照”,如圖8,“東方照”時火星正午時分從東方升起,日落時位于正南方天空,子夜時分火星落山,上半夜可見于西南方天空。
答案:C。
五、鞏固訓練
(2020年浙江高考真題)月球與八大行星一樣作自西向東公轉(zhuǎn),在地球上的觀測者可以觀測到月球、地內(nèi)行星經(jīng)過太陽表面的天象,且前者比后者經(jīng)過日面的時間短。據(jù)此回答第1題。
1. 若觀測者在甲地某日先后觀測到月球、水星經(jīng)過太陽表面的天象,則第二天正午三大天體在星空中的位置(圖9)可能是
(2019年浙江高考真題)月球表面既無大氣,又無液態(tài)水。我國“嫦娥四號”是人類首次成功著陸于月球背向地球一面的航天器。 圖10為地月系示意圖,圖11為某時刻月球遠離地球的一端看到的太陽系中的明亮天體。完成第2題。
2. 圖11所示時刻,月球可能位于圖10軌道上的位置是
A. ①B. ②C. ③D. ④
(2019年浙江高考真題)圖12為太陽系部分天體某時刻相對位置示意圖。圖13為某學生當日看到的局部星空。完成第3題。
3. 該學生面朝月球站立,其左側(cè)為正東,此時為
A. 清晨 B. 正午 C. 黃昏 D. 子夜
(2018年浙江高考真題)2018年2月8日,南天區(qū)出現(xiàn)流星雨。圖14為當天從北極上空看到的太陽系部分行星位置示意圖。完成第4題。
4. 當天晚上,地球上能夠觀察到火星、木星、土星位置關(guān)系(圖15)正確的是
(2020年浙江高三模擬)2019年7月10日晚,土星運行到一年中的最佳觀測位置,當天土星入夜即可見,日出前落下。圖16為當晚從北極上空看到的太陽系部分行星位置示意圖,圖17為某學生在南京紫金山天文臺的觀測記錄。完成第5題。
5. 該日土星所處的軌道位置是
A. 1處 B. 2處 C. 3處 D. 4處
水星離太陽太近,總是湮沒在太陽的光輝里,只有在水星大距時,出現(xiàn)短暫的觀測機會。水星大距是指在地球上看,水星和太陽之間的角距離達到最大,當水星在太陽東邊時為東大距、在太陽西邊時為西大距。圖18為2019年6月24日水星東大距時太陽系部分天體某時刻相對位置示意圖。據(jù)此回答第6題。
6. 圖中水星東大距時,水星所處的軌道位置是
A. ① B. ② C. ③ D. ④
【參考答案】
1. D。解析:觀察者在第一天觀察到水星經(jīng)過太陽表面,這是“水星凌日”現(xiàn)象?!傲枞铡爆F(xiàn)象發(fā)生在下合日,第二天水星向西偏移太陽,水星應(yīng)位于太陽西側(cè),先于太陽落山,早于太陽從東方升起。月球視運動的速度快于水星,第二天滯后于太陽落山,位于太陽的東側(cè)。
2. B。解析:圖11中金星位于西方地平線,這是金星處于“東大距”附近是一顆昏星,為傍晚時分。此時火星位于正南方,說明火星位于“東方照”,星起正午,子夜落山,上半夜可見,太陽一落山傍晚時分就出現(xiàn)在正南方天空。圖10中傍晚時分為②位置。
3. D。解析:根據(jù)圖12中火星和太陽分列地球兩側(cè),該日為“火星沖日”,如圖19。“火星沖日”時火星和太陽此升彼落,太陽落山,火星從東方升起,次日太陽從東方升起,火星從西方落下。圖13中該學生面朝月球站立,其左側(cè)為正東,說明月球和火星位于正南方天空,應(yīng)為子夜時分。
4. A。解析:圖14為木星與地球連線和太陽與地球連線相垂直,木星處于“西方照”時間,如圖20?!拔鞣秸铡睍r木星子夜時分從東方升起,日出時位于正南方天空?;鹦恰⑼列俏吹健拔鞣秸铡?,應(yīng)該是子夜后滯后于木星從東方升起,排列順序自西向東依次為木星、火星、土星,其高度為木星>火星>土星。
5. A。解析:根據(jù)材料圖17土星運行到一年中的最佳觀測位置,當天土星入夜即可見,日出前落下。說明土星位于“沖日”附近,如圖21,此時土星位于正南方天空,為子夜時分。
6. B。解析:根據(jù)材料,當水星在太陽東邊時為東大距、在太陽西邊時為西大距;從圖18看,①②位置為水星大距;根據(jù)圖中行星繞太陽運轉(zhuǎn)方向判斷,②位置時水星在太陽東側(cè),①位置時水星在太陽西側(cè),因此②為東大距時水星所處的軌道位置。故答案選B。
責任編輯 李平安