◎文/圖 中國科學(xué)院國家天文臺(tái) 郭紅鋒

動(dòng)手測量太陽直徑

◎文/圖 中國科學(xué)院國家天文臺(tái) 郭紅鋒

太陽有多大？相當(dāng)于30萬個(gè)地球那么大。要測量出這個(gè)龐然大物的直徑可不容易。

別急，讓我們利用下面的小孔成像知識(shí)，你就可以親手測量太陽直徑啦。

光在空氣中沿直線傳播，這可以從物體的影子來證明，例如一束光照射到不透明的物體上，物體的后方就會(huì)呈現(xiàn)出影子。

小孔成像就是光沿著直線傳播的結(jié)果。用一個(gè)帶有小孔的板子遮擋在屏幕與物體之間，屏幕上就會(huì)形成物體的倒像，我們把這樣的現(xiàn)象叫小孔成像。這種現(xiàn)象反映了光沿直線傳播的性質(zhì)。如小孔成像示意圖所示，光線1（火焰頭）通過小孔成像到了下邊，光線3（蠟燭底）通過小孔成像到了上邊，整個(gè)成像是倒立的實(shí)像。

我們利用小孔成像原理，可以測量太陽直徑等有價(jià)值的科學(xué)數(shù)據(jù)。

小孔成像示意圖

請準(zhǔn)備：

1. 準(zhǔn)備材料：剪刀、膠水、尺子、A4白紙若干張、直徑5厘米圓形（或方形）白紙2片、縫衣針（或鉛筆）；

2. 把A4白紙長邊卷成直徑2～3厘米的長筒，如圖1，然后把邊緣粘合；

圖1：制作長筒

3. 用直徑大于圓筒（例如4～5厘米）的白紙屏分別粘在紙筒兩端，并在一端的白紙屏中心用縫衣針（或鉛筆尖）扎一個(gè)直徑約1毫米的小孔，如圖2。

測量與計(jì)算

1.在陽光下，把做好的小孔成像紙筒，扎孔的一端指向太陽，眼睛在后端紙屏上觀看太陽的像斑。注意眼睛、紙筒和太陽要成一條直線，此時(shí)你會(huì)在紙筒后端的紙屏上看到一個(gè)亮的小圓斑，這就是太陽通過小孔在紙屏上成的像，如圖3；

圖3：小孔成像實(shí)驗(yàn)

2.你也可以把做好的小孔實(shí)驗(yàn)紙筒放在桌子上，找一個(gè)墊物讓紙筒傾斜向太陽，調(diào)整傾斜度直至后端紙屏上出現(xiàn)太陽的像斑（圓斑），如圖4；

圖4：當(dāng)紙筒對(duì)準(zhǔn)太陽時(shí)，后端紙屏上出現(xiàn)的太陽像斑

調(diào)節(jié)的方法：

1. 左右方向調(diào)，使紙筒對(duì)準(zhǔn)太陽方向；

2. 墊物在紙筒前后移動(dòng)，使紙筒傾斜（高低）角度變化，直至紙筒上部表面的亮光逐漸褪去，使紙筒的傾斜度與太陽高度保持一致，這時(shí)在后端紙屏上就會(huì)看到太陽的像斑了。

3.用尺子量出圓斑的直徑，記錄數(shù)據(jù)，如圖5；想一想：

圖5：用尺子量出圓斑的直徑

把你的計(jì)算結(jié)果與科學(xué)家給出的太陽直徑的精確數(shù)據(jù)（1392000千米）進(jìn)行比較，看看你的誤差有多大？

4.計(jì)算太陽直徑：

根據(jù)圖6，用三角形相似的原理，可以列出以下算式算出直徑：

D（太陽直徑）=d×H/h

這里H是地球到太陽的距離（我們采用日地平均距離1.5億千米代入）；h是兩個(gè)紙屏間的距離，我們實(shí)驗(yàn)中用的A4紙有規(guī)范尺寸（210mm×297mm），所以h就是A4紙長邊的長度，即297毫米；而d是太陽像斑的直徑，是我們實(shí)驗(yàn)測量的數(shù)據(jù)。請把這3個(gè)數(shù)據(jù)換算成統(tǒng)一的單位（例如千米或毫米），然后代入算式計(jì)算。

圖6：算出太陽直徑