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《兩小兒辯日》是六年級(jí)語(yǔ)文課本上的一篇古文，爭(zhēng)論的是太陽(yáng)何時(shí)離我們更遠(yuǎn)。如何從物理視角解釋這一問(wèn)題？來(lái)看這幾位初三同學(xué)的分析>>>

撰文/王瑛璇 曾雅喬 遲滸辰（北京市陳經(jīng)綸中學(xué)）

編輯/劉昭 新媒體編輯/李云鳳

《兩小兒辯日》是我們?cè)诹昙?jí)語(yǔ)文課本上學(xué)的一篇古文，出自《列子·湯問(wèn)》，原文如下：孔子?xùn)|游，見(jiàn)兩小兒辯斗，問(wèn)其故。一兒曰：“我以日始出時(shí)去人近，而日中時(shí)遠(yuǎn)也?！币粌涸唬骸拔乙匀粘醭鲞h(yuǎn)，而日中時(shí)近也。”一兒曰：“日初出大如車(chē)蓋，及日中則如盤(pán)盂，此不為遠(yuǎn)者小而近者大乎？”一兒曰：“日初出滄滄涼涼，及其日中如探湯，此不為近者熱而遠(yuǎn)者涼乎？”孔子不能決也。兩小兒笑曰：“孰為汝多知乎？”

小學(xué)的時(shí)候我就一直好奇，他們兩個(gè)人到底誰(shuí)說(shuō)對(duì)了呢？究竟太陽(yáng)何時(shí)離我們遠(yuǎn)呢？為了解決這個(gè)問(wèn)題我們深入學(xué)習(xí)了相關(guān)物理知識(shí)，今天我們從科學(xué)的角度來(lái)分析“兩小兒辯日”。

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太陽(yáng)何時(shí)離我們遠(yuǎn)?

日地距離是指日心到地心的距離,由于地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，每一時(shí)刻地球上的每一個(gè)位置與太陽(yáng)的距離都在變化。其中主要變化是由于地球公轉(zhuǎn)引起的，地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道為橢圓如圖1，其中半長(zhǎng)軸為1.496×1011m，半短軸為1.4958×1011m，焦距為5×109m，其偏心率為0.0167。地球公轉(zhuǎn)一圈大概需要365天，而早上到中午僅經(jīng)歷約6個(gè)小時(shí)，所轉(zhuǎn)過(guò)的角度。假設(shè)如圖1所示早上地球位于A點(diǎn)，那么中午地球位于B點(diǎn)已知太陽(yáng)半徑r=6.955×108m，如圖1所示CC’=c+2r=6.391×109m。設(shè)CB=R，則C’B=2a-R，根據(jù)余弦定理，列出方程，可以求得R=1.47094×1011m，CA=1.47100×108km。變化量為0.0001億千米，相對(duì)于整體極其微小，可以忽略不計(jì)。所以其實(shí)太陽(yáng)距我們的距離在一天之內(nèi)我們認(rèn)為是不變的。

圖 1

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為什么中午我們會(huì)感覺(jué)熱呢？

根據(jù)上述的分析，我們知道我們距太陽(yáng)的遠(yuǎn)近在早上和中午近似相同，所以距離不是影響我們對(duì)溫度感知的主要因素。人體所感知的溫度，主要是空氣溫度即氣溫，空氣中的熱量主要來(lái)源于太陽(yáng)輻射（指太陽(yáng)以電磁波的形式向外傳遞能量，太陽(yáng)向宇宙空間發(fā)射的電磁波和粒子流）。太陽(yáng)的輻射到達(dá)地面后，一部分被反射，一部分被地面吸收，使地面升溫。地面再通過(guò)輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流等方式將熱量傳給空氣，這是空氣中熱量的主要來(lái)源。影響地面溫度的因素主要有三點(diǎn)：熱量積累，能量密度和能量削減。

從熱量積累方面來(lái)看：夜間天上掛的是明月，沒(méi)有太陽(yáng)、沒(méi)有輻射，因此大地也沒(méi)有太陽(yáng)輸送的熱量，導(dǎo)致氣溫不高；而早晨天剛剛亮，太陽(yáng)輻射較小，且地面沒(méi)有一定的熱量積累，與空氣溫度溫差較小，幾乎不向其傳遞熱量，導(dǎo)致早晨“滄滄涼涼”。而到中午時(shí)，地面經(jīng)過(guò)近6個(gè)小時(shí)太陽(yáng)的照射而積累的熱量，使得地面與空氣具有較大的溫度差，地面向空氣傳遞熱量，空氣溫度升高，人體感知的溫度也隨之升高。因此“日中如探湯”并非“近者熱而遠(yuǎn)者涼”。

從能量密度方面來(lái)看：地面輻射量與太陽(yáng)輻射緊密相關(guān)。太陽(yáng)輻射的能量在各個(gè)方向上是均勻分布的。如圖2所示，早上，太陽(yáng)斜射向大地，因?yàn)榈厍蚴乔蝮w，它的切面是弧形，所以照射的單位面積更大；中午，太陽(yáng)直射地面，這時(shí)它照射到的地面面積比早上的小。因?yàn)樘?yáng)對(duì)地球釋放的太陽(yáng)輻射蘊(yùn)含的能量在單位時(shí)間內(nèi)是一定的，所以中午照射到的地面面積小，能量密度大，這也會(huì)使得中午地面溫度高，空氣溫度高，人體感知溫度高。

圖 2

從能量削減方面來(lái)看：由于早晨太陽(yáng)高度角小，穿越的大氣路徑長(zhǎng)，因此大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的削弱作用會(huì)更大，到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射就會(huì)更弱；但在中午時(shí)，太陽(yáng)的高度角大，穿越的大氣路徑短，大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的削弱作用小，到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射大，這也是使得中午大氣溫度高于早上的原因之一。

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為什么早上我們看到的太陽(yáng)大？

早上與中午的日地距離幾乎不變，那么為什么我們看到早上的太陽(yáng)會(huì)大呢？是眼睛欺騙了我們嗎？

通過(guò)初中物理的學(xué)習(xí)我們知道人眼的晶狀體可以被視為一個(gè)凸透鏡，當(dāng)不同波長(zhǎng)的光同時(shí)通過(guò)人眼晶狀體時(shí)，波長(zhǎng)短的光焦距短，落在視網(wǎng)膜前面；波長(zhǎng)長(zhǎng)的光焦距長(zhǎng)，落在視網(wǎng)膜后面。因此在視網(wǎng)膜上的成像清晰度就有一定的差別，長(zhǎng)波長(zhǎng)的暖色成像焦距不準(zhǔn)確，在視網(wǎng)膜上形成的像模糊不清，具有某種擴(kuò)散性；短波長(zhǎng)的冷色成像比較清晰，具有某種收縮感。這就是我們平常凝視紅色時(shí)會(huì)產(chǎn)生眩暈現(xiàn)象的原因，如果我們改看青色就沒(méi)有這種現(xiàn)象了。因此從同一個(gè)位置發(fā)射不同顏色的光，暖色系的光會(huì)讓人覺(jué)得距離更近，而冷色系的光往往會(huì)讓人覺(jué)得距離更遠(yuǎn)。早上的太陽(yáng)是紅色的，中午的太陽(yáng)是白色的，所以人們覺(jué)得早上的太陽(yáng)更遠(yuǎn)，中午的太陽(yáng)更近。

這樣的視覺(jué)錯(cuò)誤還有很多種，如圖3所示。這些視覺(jué)錯(cuò)誤會(huì)影響人們對(duì)距離、大小的判斷。如圖3(a)所示，人們往往會(huì)覺(jué)得中心白色塊比黑色塊大。如圖3(b)所示，人們往往會(huì)覺(jué)得中間的灰線是斜的。這就是色彩的膨脹感與收縮感。

圖3（a）

圖3（b）

在視網(wǎng)膜成像時(shí)，人眼晶狀體不同部分對(duì)入射光線的折射能力不同，使光線經(jīng)折射后不再能匯聚在一點(diǎn)從而產(chǎn)生像差，使對(duì)比度強(qiáng)的圖形輪廓界限部分發(fā)生對(duì)比加強(qiáng)的邊界效應(yīng)，亮度較高的物體在視網(wǎng)膜上所成像的輪廓外就好像有一圈光圈圍繞，使物體在視網(wǎng)膜上的成像擴(kuò)大，看起來(lái)就會(huì)覺(jué)得比實(shí)物大一點(diǎn)，即“光滲現(xiàn)象”（白色的形體在黑色或暗色背景的襯托下，具有較強(qiáng)的反射光亮，呈擴(kuò)張性地滲出）。當(dāng)早晨太陽(yáng)升起時(shí)，周?chē)前瞪奶炜?，太?yáng)會(huì)因?yàn)槿搜蹖?duì)比，顯得更加明亮，讓人感覺(jué)非常大；而中午時(shí)，天空與太陽(yáng)顏色相近，太陽(yáng)與其亮度反差不大，因此顯得較小。

此外，形狀的對(duì)比也是導(dǎo)致觀察到早上和中午太陽(yáng)大小不同的原因之一。同一個(gè)物體放在比它大的物體群中會(huì)顯得很小，而放在比它小的物體群中就會(huì)顯得很大。比如一個(gè)西瓜，放在一盒櫻桃附近，就會(huì)覺(jué)得它很大；而將這個(gè)西瓜與完整的菠蘿蜜果實(shí)放在一起時(shí)又會(huì)覺(jué)得西瓜很小。同樣的道理，日出的太陽(yáng)周?chē)嗍菢?shù)木或者房屋，相對(duì)照下的太陽(yáng)就會(huì)顯得大；而中午時(shí)，太陽(yáng)在天空中，對(duì)比之下就會(huì)顯得太陽(yáng)較小，這就導(dǎo)致人們對(duì)太陽(yáng)大小的認(rèn)識(shí)是早上大中午小。

兩小兒的爭(zhēng)辯來(lái)源于他們看待問(wèn)題的角度較為片面。在科技逐步發(fā)展的今天，我們?cè)诓粩嗟奶剿骱退伎贾性絹?lái)越接近事物本質(zhì)。科學(xué)的發(fā)展與完善總是伴隨著批判與反思，不管是出于對(duì)自然界現(xiàn)象的好奇，還是出于對(duì)推動(dòng)人類(lèi)歷史進(jìn)步的責(zé)任擔(dān)當(dāng)，中國(guó)古代兩小兒獨(dú)立思考和大膽質(zhì)疑的精神都值得被我們永久傳承。

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