天文观测类试题常见疑难问题解析
钟华 罗瑛
摘 要：近年来，浙江省学考和选考设置天文观测类试题考查“地球的宇宙环境”章节内容，所考查的知识点是地理教学的难点和易错点。文章梳理并图解天文观测类试题中的宇宙空间尺度、观看星空的方向、星轨旋转方向、行星凌日等代表性问题，以期触类旁通地解决同类相关问题。
关键词：天文观测;疑难问题;空间思维
天文观测类知识具有较强的抽象性，学生需要一定的数理思维、空间想象力和时空变化思维才能找到正确的解题思路。笔者在日常教学实践中常被学生和地理同行问及各类天文观测类问题和试题，为帮助师生有效突破教学难点，摒除长期存在的谬误，避免进入常见易错陷阱，本文整理了天文观测类试题中较难、易错的问题并进行相关解析。
一、宇宙空间尺度和常识问题
例1.（2017年11月浙江省地理选考卷）火星是地球的近邻，表面大气稀薄，大气成分以CO2为主，昼夜长短接近地球，而昼夜温差却超过100℃。几十年来人类对火星的探测一直没有停止过。图1为太阳系示意图。据此完成24题。
24.火星上的夜晚可能观察到
A.土星遮住火星的卫星
B.水星在小行星中穿梭
C.美丽的银河横跨星空
D.圆圆的地球挂在天空
参考答案：C
学生易错选D，这反映他们对宇宙空间尺度和基本天文常识认识不到位。教材要求掌握“天体系统”知识，但宇宙空间尺度需要教师在课堂加以补充教授，以使学生拥有正确的宇宙观。
宇宙大爆炸后，宇宙一直处于不断膨胀中，星系是非常遙远的天体系统，它们中的绝大多数肉眼不可见。除银河系外，我们的近邻大、小麦哲伦星系、仙女星系也是肉眼可见的星系，河外星系大都在几十万光年之外。
肉眼可见的星云和恒星是次遥远的天体，它们大都在银河系内，所以能被地球人观察，最近的恒星比邻星也有4.2光年远，其他较亮恒星的距离在几十到几百光年不等。由于恒星很遥远，所以几个世纪内它们的相对位置并无变化，常常用来作地球自转、公转的稳定参考系。
太阳和太阳系行星就像一个距离很近的大家庭，它们在天空中的相对位置经常变化。即使行星间距离相对较近，然而无论是地表还是火星表面观察其他行星都只能看到一个星点，不可能看到圆面的现象，所以上题D选项错误。火星同位于太阳系、银河系内部，地球上可观察银河横跨星空，那么火星亦可行。
行星与自身的卫星距离是最近的，在某行星观察天空，卫星能遮挡其他天体，其他天体无法遮挡卫星。因为行星与卫星挨得近，故常发生影子相互遮挡的情况，如日食和月食。相对于行星之间的距离，行星与卫星间的距离可以忽略不计，故各式太阳系天体轨道俯视图（包含月球轨道）大都已将月球轨道直径夸大，离真实比例相去甚远。
需要特别注意的是，不管身处太阳系何处，都只能观测到行星（或卫星）被太阳照亮的表面，夜半球无光亮故无法观测，如在上题图中太阳系行星的分布情况下，火星不管夜半球还是昼半球都无法观测地球、金星、水星，因为这三颗行星的整个夜半球面对着火星，而火星的夜晚可看明亮的木星和土星。小行星带的小行星约50万颗，常用密集小点夸张地表示，但并不代表小行星们密集而拥挤。相对于真实的火星和木星之间的空间，小行星带里的天体分布实际非常稀疏，任何穿越小行星带的航天器都不用担心遭受小行星的意外撞击——这个概率比连中几百次“大乐透”彩票还低。
二、观测星空时的方向问题
1.不同朝向下的地平方位
例2.（2018年11月浙江省地理选考卷）图2a为太阳系部分天体某时刻相对位置示意图。图2b为某学生当日看到的局部星空。据此完成24、25题。
24.该时刻肉眼在
A.火星天空中可以看见月球
B.月球上可见火星嵌在日面
C.火星上可见地球遮住月球
D.月球上可见火星悬在星空
25.该学生面朝月球站立，其左侧为正东，此时为
A.清晨? ? ? ? B.正午? ? ? ? C.黄昏? ? ? ? D.子夜
参考答案：24.D? ?25.D
这组题中图2a为太阳系极点俯视图，显示日、地、月、火连成一线，月球的夜半球正对火星昼半球，故火星天空无法看见月球，A错误;月球上看来火星在太阳相反方向，B错误;火星上看来月球在地球前面，地球无法遮住月球，C错误;月球的夜半球正好可看火星昼半球反射太阳光，故D正确，24题继续考查学生的宇宙空间思维和天文观测基本常识。25题给定满月月相，观测者左侧为东的设定，求观测时间，此题关键解题桥梁为由“左侧为正东”推理得“面向正南”，再结合月相知识可得答案D。
阅览一幅小区域标准纸质挂图时，可默认地图方向是“上北下南左西右东”。然而观测星空时，方向问题将变得略显复杂——有时左东右西，有时左西右东等。其实方向的判断取决于观测者在经纬网坐标系中的朝向，假如观测者面向正北站立观测星空，那么其前方是北，左侧为西，右侧为东，后方为南（图3a）;假如观测者面向正东站立观测星空，那么其前方是东，左侧为北，右侧为南，后方为西（图3b）;同理，面向正南和正西的情景参考图3c和图3d。
2.星轨旋转方向
由于地球在一刻不停地自转，以地面为稳定参照物的人就会看到星空（或者天球）在旋转，这种旋转短时间内无法察觉，但固定相机对天空延时曝光拍摄则得到星轨图像。星轨图中每条亮线即代表一颗星星的视运动轨迹，这是日月星辰东升西落的直观表现。那么，星轨旋转的方向是顺时针还是逆时针？
这个问题常常困扰不少学生，有些认为南北半球的星轨应当分别讨论，有些从“北极点上空俯瞰地球自转为逆时针”原理出发反推北半球地面观测星轨的旋转方向，但这些思维往往舍近求远，甚至得到错误的结论。简单、正确且有日常观测经验支撑的空间思维方式是：面朝正北时星轨逆时针旋转，面朝正南时星轨顺时针旋转，面朝正东、正西则不考虑顺/逆时针问题，南北半球均适用。面朝正北时，右侧为东，左侧为西，日月星辰东升西落，即右升左落，所以星轨旋转方向为逆时针（图3a）;面朝正南时，左东右西，日月星辰左升右落，故为顺时针（图3c）。
同理，还可以利用星轨的形态和轨心（星轨的旋转中心）来大致判断观测者朝向和当地纬度的高低。例如，已知观测者在北半球，当其所拍星轨图像整体呈完整的圆环状时（图3a），则观测者面朝北方;若其星轨图像为圆弧形（未呈完整圆环）且圆弧中心隐藏于地平线以下某处（图3c），则观测者面朝正南。因为对于北半球而言，北极星附近的天北极永远在天空，天南极则永远在地平线以下，南半球则相反。仰望轨心即仰望北（南）极星，轨心的高度可以大致判断纬度：若轨心在地平附近则纬度低，轨心在头顶高空附近则纬度高。
3.地内行星凌日方向
例3.30°N的甲地与40°S的乙地在某日都看到了天文奇观“水星凌日”，下列叙述正确的是
A.甲地看到凌日后的水星位于太阳东侧
B.水星凌日时地球上的人都能够看到
C. 甲地看到水星从左向右经过太阳表面
D.乙地看到水星凌日方向与甲地相同
参考答案：C
此题以水星凌日为主题，考查凌日的方向。显然凌日只发生在白昼，有太阳在天空才有凌日，故B错误。水星凌日时发生在水星的“下合”位置，即水星位于太阳与地球之间，由于水星在下合位置时在地平观测者看来是自东向西逆行的，所以凌日前水星位于太阳东侧，而凌日发生后位于太阳西侧，南北半球皆如此，故A错误。甲乙两地看水星是从左往右经过太阳表面还是从右往左，还是两地相同？甲乙两地分属北半球和南半球，且都位于回归线以外。水星轨道在黄道平面附近，根据共面性水星轨道平面可以近似等同于黃道平面。假设太阳直射20°S某地，太阳直射光线把地球分成黄道平面以北区域（20°S～90°N）和以南区域（20°S～90°S），那么以北区域的观测者（图4中的甲）看水星公转方向是逆时针，而甲观测太阳时一般面向偏南方向，左东右西，故甲看到水星从左向右穿过日面，C选项正确。同理，图4的乙位于黄道平面以南，他看到的水星轨道是顺时针的，乙地面向偏北观测太阳，左西右东，故水星从右向左穿过日面，甲乙两地观测水星凌日方向不同，D选项错误。虽然太阳直射纬度以北和以南所观察的水星凌日有左右方向的差异，但都是自东向西。
例4.（2020年1月浙江省地理选考卷）若观测者在北半球某地某日先后观测到月球、水星经过太阳表面的天象（图5），则第二天正午三大天体在星空中的位置可能是
参考答案：D
此题观测地为北半球且面南观测水星、太阳，故水星凌日后次日水星出现在太阳右侧（西侧）。月球的公转始终是顺行（自西向东）的，所以月球在经历日食后继续向东运动，次日到达太阳左侧（东侧），且月球公转角速度远大于水星公转角速度，所以次日月球与太阳的角距离比水星离太阳的角距离更大，故此题选D。
三、南北方观测行星、月球问题
经常有学生或同行问笔者这样两个问题：为什么太阳系北极点俯视图中某地地平切线的法线指向正南？为什么从北半球看星空，尤其是观测太阳系行星和月球时往往是面向南方观测？第一个问题，太阳系极点俯视图（图6右侧部分）是从地球北极超高空的视角俯瞰整个太阳系行星轨道，在这样的视角下空间中的“北”和“南”被压缩、投影到赤道平面上，极点俯视图无法指示南北方向，只可根据公转或自转方向来判断东西方向。那么，为什么我们能在无法指示南北方向的极点俯视图中解读出南或北的方向？因为在极点俯视图中，各行星的公转轨道与地球公转轨道（黄道）大致在同一平面，而地球的黄赤交角不大，使得赤道平面也在黄道面附近，可以认为各行星大致在地球赤道平面附近分布。对于北半球观测者而言，赤道平面在南方，所以地表观测各行星主要从偏南方角度观测（图6）。一旦涉及地球观测某行星就必然需从极点俯视图中解构出具有南北方向的侧视图信息，即各行星相对于地球北半球某地而言自带着“南”的属性，所以我们能从极点俯视图中解读“南”方向，地平线的两端为东西方向，中间为正南。同理，对于南半球观测者而言，地平线两端为东西方向，中间为正北。
第二个问题的解析已在上面有部分阐述，另从地面观测角度加以补充说明（图7）：北半球某地（28.5°N以北地区）的春秋分太阳周日运动轨迹（L0）可作为全年太阳基准位置，夏至日的太阳周日轨迹（L1）是由L0向北平移23.5°，同理冬至日太阳周日轨迹（L2）是由L0向南平移23.5°。太阳从冬至到夏至再回到冬至，均在L1与L2之间，L1至L2的天空区域对于观测者来说绝大部分位于偏南侧，而太阳系其他行星都沿黄道分布，所以行星的分布也落在L1与L2之间，故在偏南侧天空。月球公转轨道与地球公转轨道有5°9′的夹角，所以月球分布范围是L0±28.5°，故月球也绝大多数情况在偏南方观测。
南半球28.5°S以南的地区情况相反，观测太阳、月球、各行星的方向绝大多数在偏北方。
四、教学策略和建议
教师在应对天文观测类疑难问题时，建议从以下方面改善教学效果、提高课堂教学水平：①总结和分析试题特点、常考点，研究命题方向，特别要注重培养学生空间思维转换能力。②应用天文软件和三维演示模型模拟真实宇宙空间环境，提高学生空间思维建模水平和时空转化思维效率，推荐电脑版Stellarium[1]、Celestia、AutoCAD[2]和手机版星图等软件[3]搭配使用。③积极创造条件开展天文观测[4]，地理教师多观察留意星空，尤其是黄昏、黎明时分的星空，重点关注五大可见行星和月球，在此基础上组织学生有序观看（可结合天文望远镜）。④关注天文和航天领域的动态时事，积累教学新素材，开拓新情境。
参考文献：
[1] 单良，宋玮娴，岳蕾.Stellarium软件在高中地理课堂教学中的应用探究[J].中学地理教学参考， 2018（12）：38-39.
[2] 彭松.例谈基于AutoCAD的地理三维课件制作[J].中学地理教学参考，2010（12）：34-35.
[3] 王芊，刘焕.星图软件辅助下的《天文学基础》校本课程开发研究[J].地理教学， 2019（07）：62-64.
[4] 董满超.基于“地理实践力”的天文观测活动的探索与思考[J].地理教育，2019（01）：51-52.
