Wer hat in der Geschichte „Zwei Kinder streiten um die Sonne“, die Konfuzius verwirrte, Recht? Betrachten wir es aus physikalischer Sicht

„Zwei Kinder streiten sich um die Sonne“ ist ein alter chinesischer Artikel im Chinesisch-Lehrbuch der sechsten Klasse. Der Streit dreht sich darum, wann die Sonne weiter von uns entfernt sein wird. Wie lässt sich dieses Problem aus physikalischer Sicht erklären? Schauen wir uns die Analyse dieser Mittelschüler an>>>

Geschrieben von Wang Yingxuan, Zeng Yaqiao und Chi Huchen (Beijing Chen Jinglun Middle School)

Redakteur/Liu Zhao Redakteur für neue Medien/Li Yunfeng

„Zwei Kinder streiten sich um die Sonne“ ist ein alter chinesischer Artikel, den wir im Chinesisch-Lehrbuch der sechsten Klasse aus „Liezi·Tangwen“ gelernt haben. Der Originaltext lautet wie folgt: Konfuzius reiste nach Osten und sah zwei Kinder, die sich über die Sonne stritten. Er fragte sie nach dem Grund. Ein Kind sagte: „Ich dachte, die Sonne wäre uns nah, wenn sie aufgeht, aber weit weg, wenn sie im Zenit steht.“ Ein anderes Kind sagte: „Ich dachte, die Sonne wäre weit weg, wenn sie aufgeht, aber nah, wenn sie im Zenit steht.“ Ein anderes Kind sagte: „Wenn die Sonne aufgeht, ist sie so groß wie eine Autoabdeckung, aber im Zenit ist sie so klein wie eine Schüssel. Heißt das nicht, dass die, die weit weg sind, klein und die, die nah sind, groß sind?“ Ein anderes Kind sagte: „Wenn die Sonne aufgeht, ist es dunkel und kühl, aber im Zenit ist es, als würde man in heißes Wasser eintauchen. Heißt das nicht, dass es den Menschen in der Nähe heiß und den Menschen in der Ferne kalt ist?“ Konfuzius konnte sich nicht entscheiden. Die beiden Kinder lachten und sagten: „Wer weiß mehr als du?“

Als ich in der Grundschule war, war ich immer neugierig: Wer von den beiden war nun richtig? Wann genau entfernt sich die Sonne von uns? Um dieses Problem zu lösen, haben wir uns eingehend mit den relevanten physikalischen Erkenntnissen befasst. Heute werden wir „Zwei Kinder streiten über die Sonne“ aus wissenschaftlicher Sicht analysieren.

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Wann entfernt sich die Sonne von uns?

Mit der Entfernung zwischen Sonne und Erde ist die Entfernung vom Mittelpunkt der Sonne zum Mittelpunkt der Erde gemeint. Aufgrund der Rotation und Umdrehung der Erde ändert sich der Abstand zwischen jedem Ort auf der Erde und der Sonne in jedem Moment. Die wesentlichen Veränderungen werden durch die Erdumdrehung verursacht. Die Umlaufbahn der Erde um die Sonne ist eine Ellipse, wie in Abbildung 1 dargestellt, mit einer großen Halbachse von 1,496 × 1011 m, einer kleinen Halbachse von 1,4958 × 1011 m, einer Brennweite von 5 × 109 m und einer Exzentrizität von 0,0167. Die Erde benötigt etwa 365 Tage, um die Sonne zu umkreisen, doch von morgens bis mittags, also in welchem ​​Winkel sie sich dreht, vergehen nur etwa 6 Stunden. Angenommen, die Erde befindet sich morgens am Punkt A, wie in Abbildung 1 dargestellt, dann befindet sich die Erde mittags am Punkt B. Es ist bekannt, dass der Radius der Sonne r = 6,955 × 108 m beträgt, wie in Abbildung 1 gezeigt, CC' = c+2r = 6,391 × 109 m. Angenommen, CB=R, dann C'B=2a-R. Gemäß dem Kosinussatz können wir die Gleichungen auflisten und erhalten R=1,47094×1011m und CA=1,47100×108km. Die Änderung beträgt 0,0001 Milliarden Kilometer, was im Vergleich zum Ganzen äußerst gering ist und vernachlässigt werden kann. Tatsächlich glauben wir also, dass die Entfernung zwischen der Sonne und uns innerhalb eines Tages konstant ist.

Abbildung 1

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Warum ist uns mittags heiß?

Aufgrund der obigen Analyse wissen wir, dass unser Abstand zur Sonne morgens und mittags ungefähr gleich ist. Die Entfernung ist also nicht der Hauptfaktor, der unsere Temperaturwahrnehmung beeinflusst. Die vom menschlichen Körper wahrgenommene Temperatur ist hauptsächlich die Lufttemperatur, also die Lufttemperatur. Die Wärme in der Luft entsteht hauptsächlich durch Sonnenstrahlung (damit ist die Energie gemeint, die die Sonne in Form elektromagnetischer Wellen nach außen abgibt, sowie die elektromagnetischen Wellen und Partikelströme, die die Sonne in den Weltraum aussendet). Wenn die Sonnenstrahlung den Boden erreicht, wird ein Teil davon reflektiert und ein Teil vom Boden absorbiert, wodurch sich der Boden erwärmt. Der Boden überträgt dann durch Strahlung, Leitung und Konvektion Wärme an die Luft, die die Hauptwärmequelle in der Luft darstellt. Es gibt drei Hauptfaktoren, die die Bodentemperatur beeinflussen: Wärmespeicherung, Energiedichte und Energiereduzierung.

Aus der Perspektive der Wärmespeicherung: Nachts steht der Mond hell am Himmel, aber es gibt weder Sonne noch Strahlung, sodass die Erde keine Wärme von der Sonne erhält, was zu einer niedrigen Temperatur führt. morgens, wenn es gerade Tag ist, ist die Sonneneinstrahlung gering und es gibt keine Wärmeansammlung am Boden, daher ist der Temperaturunterschied zur Lufttemperatur gering und es wird fast keine Wärme auf den Boden übertragen, was zu einem „kühlen“ Morgen führt. Gegen Mittag entsteht durch die nach fast sechs Stunden Sonneneinstrahlung angesammelte Wärme am Boden ein großer Temperaturunterschied zwischen Boden und Luft. Der Boden gibt Wärme an die Luft ab, die Lufttemperatur steigt und damit auch die vom menschlichen Körper wahrgenommene Temperatur. Daher bedeutet „Die Sonne ist mittags wie heißes Wasser“ nicht „Je näher Sie sind, desto heißer ist es und je weiter Sie sind, desto kälter ist es.“

Aus Sicht der Energiedichte ist die Bodenstrahlung eng mit der Sonnenstrahlung verwandt. Die Energie der Sonnenstrahlung wird gleichmäßig in alle Richtungen verteilt. Wie in Abbildung 2 dargestellt, scheint die Sonne morgens schräg auf die Erde. Da die Erde eine Kugel ist und ihr Querschnitt bogenförmig ist, ist die beleuchtete Flächeneinheit größer. Mittags scheint die Sonne direkt auf den Boden und die beleuchtete Bodenfläche ist kleiner als morgens. Da die in der von der Sonne auf die Erde abgegebenen Sonnenstrahlung enthaltene Energie pro Zeiteinheit konstant ist, ist die mittags bestrahlte Bodenfläche klein und die Energiedichte hoch, was mittags auch zu einer hohen Bodentemperatur, einer hohen Lufttemperatur und einer hohen vom menschlichen Körper wahrgenommenen Temperatur führt.

Abbildung 2

Aus der Perspektive der Energieeinsparung: Da der Sonnenhöhenwinkel morgens gering ist und die atmosphärische Strecke, die die Sonne zurücklegt, lang ist, hat die Atmosphäre eine stärkere schwächende Wirkung auf die Sonnenstrahlung und die Sonnenstrahlung, die den Boden erreicht, ist schwächer. aber mittags ist der Sonnenhöhenwinkel groß und der atmosphärische Weg, den sie durchläuft, kurz, die Atmosphäre hat einen geringeren schwächenden Effekt auf die Sonnenstrahlung und die Sonnenstrahlung, die den Boden erreicht, ist groß, was einer der Gründe ist, warum die Lufttemperatur mittags höher ist als morgens.

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Warum erscheint die Sonne morgens größer?

Der Abstand zwischen Sonne und Erde ist morgens und mittags nahezu gleich. Warum erscheint uns die Sonne morgens also größer? Täuschen uns unsere Augen?

Durch das Physikstudium in der Mittelstufe wissen wir, dass die Linse des menschlichen Auges als konvexe Linse betrachtet werden kann. Wenn Licht unterschiedlicher Wellenlängen gleichzeitig durch die Linse des menschlichen Auges fällt, hat das Licht mit der kurzen Wellenlänge eine kurze Brennweite und fällt vor die Netzhaut; Das Licht mit der langen Wellenlänge hat eine lange Brennweite und fällt hinter die Netzhaut. Daher gibt es einen gewissen Unterschied in der Klarheit des Bildes auf der Netzhaut. Die Brennweite des langwelligen Warmfarbbildes ist ungenau und das auf der Netzhaut erzeugte Bild ist unscharf und weist eine gewisse Streuung auf. Das kurzwellige Kaltfarbbild ist relativ klar und weist eine gewisse Kontraktion auf. Aus diesem Grund wird uns normalerweise schwindelig, wenn wir auf Rot starren. Dieses Phänomen tritt jedoch nicht auf, wenn wir stattdessen auf Blau schauen. Wenn also Licht unterschiedlicher Farbe von derselben Position ausgestrahlt wird, vermittelt warmes Licht den Menschen das Gefühl, näher zu sein, während kühles Licht eher dazu führt, dass sich die Menschen weiter entfernt fühlen. Die Sonne ist morgens rot und die Sonne mittags weiß, daher haben die Menschen das Gefühl, dass die Sonne am Morgen weiter weg und die Sonne mittags näher ist.

Es gibt viele andere Arten solcher Sehfehler, wie in Abbildung 3 dargestellt. Diese Sehfehler können die menschliche Beurteilung von Entfernungen und Größen beeinträchtigen. Wie in Abbildung 3(a) gezeigt, neigen Menschen dazu, den zentralen weißen Block als größer wahrzunehmen als den schwarzen Block. Wie in Abbildung 3(b) gezeigt, neigen die Leute dazu zu denken, dass die graue Linie in der Mitte schräg ist. Dies ist das Gefühl der Ausdehnung und Kontraktion der Farbe.

Abbildung 3(a)

Abbildung 3(b)

Bei der Abbildung auf der Netzhaut weisen unterschiedliche Teile der menschlichen Augenlinse ein unterschiedliches Brechungsvermögen für einfallendes Licht auf, so dass das Licht nach der Brechung nicht mehr in einem Punkt zusammenlaufen kann und dadurch eine Aberration entsteht, die an der Konturgrenze einer kontrastreichen Grafik einen kontrastverstärkten Randeffekt verursacht. Der Umriss eines Objekts mit höherer Helligkeit scheint auf der Netzhaut von einem Öffnungskreis umgeben zu sein, der das Bild des Objekts auf der Netzhaut vergrößert und es größer erscheinen lässt als das tatsächliche Objekt. Dabei handelt es sich um das sogenannte „Light Bleeding-Phänomen“ (weiße Formen vor einem schwarzen oder dunklen Hintergrund reflektieren das Licht stark und verlaufen großflächig). Wenn die Sonne morgens aufgeht, ist sie von einem dunklen Himmel umgeben. Durch den Kontrast erscheint die Sonne für das menschliche Auge heller und wirkt dadurch sehr groß. Mittags hat der Himmel eine ähnliche Farbe wie die Sonne und der Kontrast zwischen Himmel und Sonnenhelligkeit ist nicht signifikant, sodass die Sonne kleiner erscheint.

Darüber hinaus ist der Formkontrast auch einer der Gründe, warum die Sonne morgens und mittags unterschiedlich groß ist. Dasselbe Objekt erscheint klein, wenn es sich inmitten einer Gruppe größerer Objekte befindet, und groß, wenn es sich inmitten einer Gruppe kleinerer Objekte befindet. Wenn Sie beispielsweise eine Wassermelone neben eine Kiste mit Kirschen stellen, wird sie sehr groß erscheinen. Wenn Sie die Wassermelone jedoch mit einer ganzen Jackfrucht zusammenstellen, erscheint sie sehr klein. Ebenso ist die Sonne beim Aufgehen oft von Bäumen oder Häusern umgeben und erscheint daher im Vergleich größer. Mittags, wenn die Sonne hoch am Himmel steht, erscheint er im Vergleich kleiner. Dies führt dazu, dass die Menschen glauben, die Sonne sei morgens größer und mittags kleiner.

Der Streit zwischen den beiden Kindern rührt von ihrer einseitigen Sichtweise auf das Thema her. Während sich Wissenschaft und Technologie schrittweise weiterentwickeln, kommen wir durch ständiges Erforschen und Nachdenken dem Wesen der Dinge immer näher. Die Entwicklung und Verbesserung der Wissenschaft geht immer mit Kritik und Reflexion einher. Ob aus Neugier auf Naturphänomene oder aus einem Verantwortungsgefühl heraus, den Fortschritt der Menschheitsgeschichte zu fördern: Der Geist des unabhängigen Denkens und der mutigen Fragen der beiden Kinder im alten China verdient es, für immer weitergegeben zu werden.

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Produziert von: Science Central Kitchen

Produziert von: Beijing Science and Technology News | Pekinger Wissenschafts- und Technologiemedien

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