详解《列子·汤问》中小儿辩日的光学现象
来源:   发布时间:2016-06-15
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  邹进上

  《列子·汤问》中有一则两小儿辩日的故事:孔子东游,见两小儿辩斗。问其故。一儿曰:“我以日始出去人近,而日中时远也。”一儿以日初出远,而日中时近也。一儿曰“日初出时大如车盖,及日中则如盘盂,此不为远者小而近者大乎!”一儿曰:“日初出沧沧凉凉,及其日中如探汤,此不为近者热而远者凉乎!”孔子不能决也。两小儿笑曰:“孰为汝多知乎!”

  对于上面这则辩论太阳什么时候离地球近的故事,其实与大气的光学现象有关。对此气象上是这样解释的:围绕在地球周围有一层很厚的大气,由于重力作用,大气90%的质量集中在底层15公里内,特别是水汽、烟尘、尘埃、盐粒、花粉等杂质都集中在9公里以下大气中。通常,当光线从一种介质斜射进入另一种介质时,由于光速的变化,在两种介质的分界处,光线的方向会发生改变,出现折射现象,即使在同一介质中,由于介质的密度不均匀,也会使光线出现折射现象。在自然大气中,空气密度在垂直方向的分布极不均匀,愈向高空,密度愈小,愈近地面,密度愈大。当太阳光线(或月光)从密度小的高层进入到密度大的近地层时,它们的光学路径就会发生曲折。此时我们在地面上所观测到的太阳(或月亮)总是比实际位置偏高,这种折射现象愈近地平线愈明显(日出和日落时)。

  研究表明,位于地平线附近的太阳,其高度角比实际的大35’左右。很明显,太阳光盘的下缘因折射而偏高的程度要比上缘大一些。这就是为什么在日出和日落时刻太阳光盘大如车盖,且呈扁圆形。但太阳在天顶时却看不到光的折射现象。可见,凭借“近者大,远者小”的原理来判定太阳的远近是错误的。
    另外,日出时,太阳光斜射地面,单位面积上的太阳辐射热流入量较小;日中时,太阳光垂直照射地面,单位面积上的太阳辐射热流入量远大于日初出时的太阳辐射热流入量。同时日出时,地面经过前一夜的辐射冷却,气温低。而日中时,地面经过长时间辐射热量的积累,气温较高。因此日中,人在太阳下的感受如火烤。而在日出时则相反,人却感到凉爽。可见,早凉午热,乃太阳高度角不同所致,并非太阳远近之故也。

  说到这里,不禁要问:到底日始出离人近,还是日中时离人近?答曰:太阳与地球上观测者之间的距离无论在早上或晚上与日中相差极微,可以忽略不计。

  【注】光在真空中的传播速度为38万公里/秒,而在大气中的传播速度略有减小(变慢)。光从太阳到达地球所需时间为8分20秒。

  (责任编辑:王美丽)

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