昨晚上看張雙南博士主講《開(kāi)講啦》，提及兩小兒辯日這個(gè)故事，同時(shí)講到我們平常都缺少一種刨根問(wèn)底的科學(xué)精神。一想還真是這樣，平常我沒(méi)少提《兩小兒辯日》這個(gè)故事，卻沒(méi)有去仔細(xì)思考這個(gè)問(wèn)題的答案。這篇文章我就來(lái)刨根問(wèn)底，看看兩小兒辯日到底誰(shuí)說(shuō)的對(duì)。
《兩小兒辯日》
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?！?br> 一兒以日初出遠(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？”
兩小兒的對(duì)話是討論太陽(yáng)到底是中午遠(yuǎn)還是早晨遠(yuǎn)。說(shuō)早晨遠(yuǎn)的看上去很有道理，早晨太陽(yáng)大啊。說(shuō)中午遠(yuǎn)的看上去也很有道理，中午熱啊。
分析一下，我們發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)小孩的對(duì)話存在兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題:
1、視覺(jué)中太陽(yáng)大小和太陽(yáng)距離的關(guān)系
2、人體感覺(jué)溫度和太陽(yáng)距離的關(guān)系
分別探討一下
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視覺(jué)中太陽(yáng)大小和地-日距離的關(guān)系
我們觀察一下初升的太陽(yáng)和傍晚的太陽(yáng)，再看看中午的太陽(yáng)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，早上和傍晚的太陽(yáng)又大又圓，中午的太陽(yáng)小得多。
要解決這個(gè)問(wèn)題，先看一個(gè)概念-太陽(yáng)高度角。太陽(yáng)高度角是我們觀察太陽(yáng)時(shí)的仰角，也就是太陽(yáng)光線與地面之間的夾角（如圖1所示）。由于地球的自轉(zhuǎn)，造成太陽(yáng)東升西落，太陽(yáng)高度角在一日內(nèi)不斷發(fā)生變化（如圖2所示）；正午（地方時(shí)為12時(shí)）太陽(yáng)位于上中天時(shí)，太陽(yáng)的高度角達(dá)到最大值H，我們將此時(shí)的太陽(yáng)高度角稱為該日的正午太陽(yáng)高度角。
而我們觀察到的一天中太陽(yáng)視覺(jué)大小有差別，其主要原因就是早晨和傍晚的太陽(yáng)高度角小，進(jìn)入地球大氣層時(shí)折射效果特別明顯。而中午的太陽(yáng)高度角達(dá)到最大，折射效果不明顯，這就造成早晨和傍晚看到的太陽(yáng)比實(shí)際大，且位置比實(shí)際的高。
另一個(gè)方面，太陽(yáng)的大小并沒(méi)有變化，而是人的視覺(jué)出了問(wèn)題。視覺(jué)是這樣形成的，物體發(fā)射出的光被人眼的水晶體（透鏡）成像于視網(wǎng)膜上，使感光細(xì)胞感光，然后由視神經(jīng)將信息傳送到大腦皮層，經(jīng)過(guò)信息加工、處理后形成視覺(jué)。在一定程度上修改了原樣。例如，同樣大小的物體，黑色的比白色的顯得小些，一幅畫(huà)上的藍(lán)天比建筑物顯得遠(yuǎn)一些，諸如此類?？傊繕?biāo)與背景的對(duì)比度，色彩的不同，色彩的襯度等都會(huì)程度不同地修改原樣?？刺?yáng)也是這樣，因?yàn)樵绯浚?yáng)初升，背景較暗淡，在暗背上的亮目標(biāo)顯得大些，再加上早晨的太陽(yáng)是紅色的，人們又以地物為參照物，因此早晨的太陽(yáng)看起來(lái)又大又圓。傍晚的太陽(yáng)顯得大些也是這個(gè)道理，但傍晚的太陽(yáng)顯得扁些，這是由光的折射所致。而中午太陽(yáng)懸天高照，又以天空為背景，沒(méi)有另外的參照物，因而看起來(lái)顯得小些。
這就表明視覺(jué)中太陽(yáng)的大小和地球到太陽(yáng)的距離沒(méi)有什么關(guān)系。
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人體感覺(jué)溫度和地-日距離的關(guān)系
日出以后,隨著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng),地面凈得熱量,溫度升高。此時(shí),地面放出的長(zhǎng)波輻射也隨著溫度的升高而增強(qiáng),大氣吸收了地面的長(zhǎng)波輻射,氣溫也上升。到了正午,太陽(yáng)輻射達(dá)到最強(qiáng),氣溫也隨之上升。
此后,太陽(yáng)輻射強(qiáng)度雖然開(kāi)始減弱,但地面得到的熱量仍比地面長(zhǎng)波輻射推動(dòng)的熱量還要多。地面儲(chǔ)存的熱量仍在增加,所以地溫繼續(xù)升高,氣溫也隨著升高。到午后一定時(shí)間,由于太陽(yáng)輻射的進(jìn)一步減弱,使地面得到的熱量開(kāi)始少于推動(dòng)的熱量,地溫開(kāi)始下降。
地溫的最高值就出現(xiàn)在地面熱量由儲(chǔ)存轉(zhuǎn)為虧損、地溫由上升轉(zhuǎn)為下降的時(shí)刻.這一時(shí)刻通常在午后一小時(shí)左右。隨后,由于地面熱量不斷地虧損,氣溫便逐漸下降,一直下降到清晨日出之前地面儲(chǔ)存的熱量減至最少為止。所以,最低氣溫出現(xiàn)在清晨日出前后,而不是在半夜。由此看來(lái),一晝夜間氣溫的高低不僅取決于接受太陽(yáng)輻射數(shù)量的多少,也取決于地面的熱量收支,即地面接收的太陽(yáng)輻射的數(shù)量和向外放射的地面有效輻射的數(shù)量之差。如收入多于支出,則地面儲(chǔ)存的熱量增加，溫度上升；反之,則地面儲(chǔ)存的熱量減少，溫度降低。
這樣看來(lái)，體感溫度和太陽(yáng)距離的遠(yuǎn)近也沒(méi)大有關(guān)系呀。那到底是中午離太陽(yáng)近還是早上離太陽(yáng)近？
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到底是中午還是早晨離太陽(yáng)近？
如果非要把早晨和中午的日地距離作以比較的話,有人會(huì)認(rèn)為中午的太陽(yáng)會(huì)更近一些,理由是,早晨太陽(yáng)從地平線方向照過(guò)來(lái),比中午的太陽(yáng)遠(yuǎn)了一個(gè)地球半徑的距離。
這種說(shuō)法其實(shí)也不準(zhǔn)確，我們來(lái)仔細(xì)分析一下。
每年1月初,地球位于繞日公轉(zhuǎn)軌道的近日點(diǎn),日地距離達(dá)到最小值,約為1.471億千米。
每年7月初,地球位于繞日公轉(zhuǎn)軌道的遠(yuǎn)日點(diǎn),日地距離達(dá)到最大值,約為1.521億千米。
跟日地平均距離（1.496億千米）相比,日地距離在一年之內(nèi)的變化差值（0.05億千米）幾乎可以忽略不計(jì).那么在一天內(nèi),日地距離的變化更是微不足道了。
從上面的數(shù)據(jù)可知,從1月份到7月份,半年的時(shí)間里,日地距離變化幅度達(dá)到500萬(wàn)千米（1.521億千米減去1.471億千米）,每天內(nèi)的變化值為2.7萬(wàn)千米,從早晨到中午大約6小時(shí),為四分之一日,日地距離變化值約為6868千米,這個(gè)值已大于地球的半徑。
如果地球正在向近日點(diǎn)運(yùn)動(dòng),從早晨到中午,一方面確實(shí)近了一個(gè)地球半徑左右的距離（6300多千米）,另一方面經(jīng)過(guò)四分之一日,日地距離也近了6868千米,兩者疊加,中午離太陽(yáng)更近了。
但如果地球正在向遠(yuǎn)日點(diǎn)運(yùn)動(dòng),從早晨到中午,一方面從地球到太陽(yáng)也近了一個(gè)地球半徑左右的距離（6300多千米）,可是另一方面經(jīng)過(guò)四分之一日,日地距離卻遠(yuǎn)了6868千米,兩者疊加,中午離太陽(yáng)就更遠(yuǎn)了。
因此到底是中午離太陽(yáng)近,還是早晨離太陽(yáng)近,就要看地球在日-地軌道上的相對(duì)位置了。
