初五月相，杭州市天文學(xué)會(huì)會(huì)員@星野牧歌2017年3月2日攝于杭州。
圖片由秦老師提供，原作者已授權(quán)
月亮為啥一般是“躺”著的？秦老師根據(jù)地球、月球、太陽(yáng)三者間的位置關(guān)系，給出了原因：
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1、實(shí)際上，因?yàn)樵虑蚴潜惶?yáng)照亮的，在任何時(shí)候，月球靠近太陽(yáng)的一側(cè)被照亮，遠(yuǎn)離太陽(yáng)的一側(cè)為暗面。所以，任何時(shí)候，月球亮面與暗面分界線(xiàn)兩個(gè)端點(diǎn)的連線(xiàn)都應(yīng)該與太陽(yáng)與月球的連線(xiàn)垂直。
太陽(yáng)與月球的連線(xiàn)在哪里？怎么找？因?yàn)辄S白交角并不大，太陽(yáng)與月球的連線(xiàn)在天球上的投影就在黃道附近，與黃道大致重合。所以不太精確地講，任何時(shí)候，月球亮面與暗面分界線(xiàn)兩個(gè)端點(diǎn)的連線(xiàn)都與黃道基本垂直。也就是說(shuō)，月球的亮面必須指向太陽(yáng)，不過(guò)，月球亮面必須指向太陽(yáng)的基準(zhǔn)是黃道。
注：黃道是地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道在天球上的投影，在地球上看來(lái)，黃道就是太陽(yáng)一年中在天空中（天球上）走過(guò)的軌跡。而在一天中，黃道可以近似的理解為，太陽(yáng)東升西落在天空中劃過(guò)的軌跡。
為了佐證這個(gè)結(jié)論，秦老師用Stellarium軟件模擬月球在各個(gè)方位的狀態(tài)。模擬圖中，黃色線(xiàn)是黃道，綠色線(xiàn)是地平線(xiàn)，月球亮面與暗面分界線(xiàn)的連線(xiàn)用紅色線(xiàn)畫(huà)出；為了明顯，在軟件中將月球的直徑放大了20倍。從這6副模擬圖中，可以很清晰的看到，紅線(xiàn)在任何時(shí)候都基本上與黃道的切線(xiàn)垂直：
最后一幅模擬圖中，這時(shí)的月亮已經(jīng)在地平線(xiàn)附近，但是，月亮并不完全是躺著的，而是稍微傾斜一點(diǎn)。
2、在不同的緯度，黃道與地平線(xiàn)的夾角不同。總的來(lái)說(shuō)，月球的姿態(tài)大致有三種不同的形式：
(1)、低緯度地區(qū)，太陽(yáng)幾乎直射，中午時(shí)太陽(yáng)幾乎就在頭頂上，所以黃道幾乎是垂直地平線(xiàn)的。所以，當(dāng)黃昏時(shí)峨眉月出現(xiàn)在西方地平線(xiàn)附近，或黎明時(shí)殘?jiān)挛挥跂|方地平線(xiàn)附近，一定是幾乎平躺著的：
Stellarium模擬圖，北緯20度地平線(xiàn)附近11月份的初四月相
Stellarium模擬圖，南緯20度地平線(xiàn)附近的初四月相
而當(dāng)早上峨眉月出現(xiàn)在東方地平線(xiàn)附近，或者下午殘?jiān)挛挥谖鞣降仄骄€(xiàn)附近時(shí)，月亮是趴著的（亮面在上）：
Stellarium模擬圖，北緯20度早上東方地平線(xiàn)附近的初五月相
（2）中緯度地區(qū)，太陽(yáng)不能直射，黃道與地平線(xiàn)不可能垂直，但成一個(gè)比較大的夾角。所以，當(dāng)黃昏時(shí)峨眉月出現(xiàn)在西方地平線(xiàn)附近，或黎明時(shí)殘?jiān)挛挥跂|方地平線(xiàn)附近，會(huì)是斜躺著：
Stellarium軟件模擬的北京附近（北緯40°）初五的月相圖
對(duì)于南半球的情形，由于黃道位于北邊，月球斜躺的方式有所差別：
Stellarium模擬圖，南緯40度地平線(xiàn)附近的初四月相
類(lèi)似于低緯度的情形，當(dāng)早上峨眉月出現(xiàn)在東方地平線(xiàn)附近，或者下午殘?jiān)挛挥谖鞣降仄骄€(xiàn)附近時(shí)，月亮是斜趴著的；
（3）高緯度地區(qū)，太陽(yáng)高度非常低，經(jīng)常在地平線(xiàn)附近兜圈子，也就是說(shuō)，黃道幾乎與地面平行。所以，當(dāng)峨眉月或殘?jiān)挛挥诘仄骄€(xiàn)附近，會(huì)是立著的。實(shí)際上，峨眉月或殘?jiān)略谌魏螘r(shí)候基本上都是立著的。
Stellarium模擬圖，北緯65度地平線(xiàn)附近的初四月相
相應(yīng)的，對(duì)于盈凸月及虧凸月，把前文所述的亮面換成暗面，結(jié)果類(lèi)似。
秦老師還發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)月球位于地球正南方且高度最高時(shí)，黃道切線(xiàn)與地面平行，月相才會(huì)呈直立狀態(tài)。而在其他位置，黃道一定是傾斜于地面的，月球亮面與暗面分界線(xiàn)的連線(xiàn)與地平線(xiàn)成一定的角度。也就是說(shuō)，只有當(dāng)月亮公轉(zhuǎn)軌跡到地球正南方時(shí)，觀(guān)測(cè)者才能拍攝到直立的月亮，和觀(guān)測(cè)者的坐標(biāo)位置沒(méi)有關(guān)系。
“由于月球每天出現(xiàn)在正南方的時(shí)間變化很大，而且與我們平時(shí)使用的公歷沒(méi)有任何關(guān)系，所以很難說(shuō)月球什么時(shí)候會(huì)在正南方出現(xiàn)。”秦老師解釋說(shuō)：“農(nóng)歷初八前后，天黑后不久看到的月亮，就是大約在正南方立著的。”
農(nóng)歷十三月相，2018年6月26日于海童攝于英國(guó)。
圖片由秦老師提供，原作者已授權(quán)
為了佐證文章觀(guān)點(diǎn)，秦老師特意搜羅了國(guó)內(nèi)外天文愛(ài)好者拍攝的不同緯度、不同天數(shù)的月相觀(guān)測(cè)圖。為了查清每張圖片的拍攝時(shí)間、地點(diǎn)及拍攝人員，秦老師花了好幾天的功夫。“杭州愛(ài)好者的圖片容易求證，但國(guó)外來(lái)源就很難查清，得花時(shí)間找原始出處。國(guó)內(nèi)可供參考的天文圖片不太多，這也是寫(xiě)科普文章比較難的一關(guān)。”
這篇科普文發(fā)布后，不少天文愛(ài)好者都在朋友圈里給這篇文章點(diǎn)贊。在秦老師的天文愛(ài)好者交流群，還有家長(zhǎng)特別感謝秦老師的科普：“孩子每天的觀(guān)測(cè)月亮作業(yè)里，月亮都是‘躺’著的，我還以為畫(huà)錯(cuò)了。”
秦老師和家長(zhǎng)的對(duì)話(huà)截圖
網(wǎng)傳的月相變化示意圖為何會(huì)有誤差？秦老師解釋說(shuō)，出現(xiàn)這種“誤差”，其實(shí)是教材編寫(xiě)者考慮到小學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)接受水平，將示意圖的難度人為降低。
“月相確實(shí)是一個(gè)非常困難的內(nèi)容，尤其是涉及到黃道、天球、以及地球、月球、太陽(yáng)三者間復(fù)雜的空間及運(yùn)動(dòng)關(guān)系，完全理解需要學(xué)生有非常好的空間想象能力。這一點(diǎn)對(duì)于大部分小學(xué)生基本上是不可能做到的，甚至很多中學(xué)生也難以做到。”秦老師解釋道。
秦老師還表示，這種“失誤”在小學(xué)科學(xué)課本里時(shí)有發(fā)生。例如小學(xué)5年級(jí)上學(xué)期科學(xué)課本中對(duì)“摩擦力”的定義為：運(yùn)動(dòng)物體要受到的一種阻礙運(yùn)動(dòng)的力；但上了高中會(huì)發(fā)現(xiàn)，摩擦力有時(shí)候其實(shí)是運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)力。“都是同一個(gè)道理，但這些‘誤差’不會(huì)影響學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的掌握。”
不過(guò)，秦老師并不贊同這一做法。“在課堂上，我不會(huì)用這張?jiān)孪嗍疽鈭D。因?yàn)橹灰獙W(xué)生仔細(xì)觀(guān)察，很容易發(fā)現(xiàn)這個(gè)示意圖中的問(wèn)題。雖然我無(wú)法準(zhǔn)確在課堂上解釋月亮‘躺’的原理，但可以留作一個(gè)課外任務(wù)，引發(fā)學(xué)有余力的學(xué)生的思考。”
來(lái)源：升學(xué)寶