让孔子发懵的《两小儿辩日》，谁说的对？带你从物理学角度来看

《两小儿辩日》是六年级语文课本上的一篇古文，争论的是太阳何时离我们更远。如何从物理视角解释这一问题？来看这几位初三同学的分析>>>

撰文/王瑛璇 曾雅乔 迟浒辰（北京市陈经纶中学）

编辑/刘昭 新媒体编辑/李云凤

《两小儿辩日》是我们在六年级语文课本上学的一篇古文，出自《列子·汤问》，原文如下：孔子东游，见两小儿辩斗，问其故。一儿曰：“我以日始出时去人近，而日中时远也。”一儿曰：“我以日初出远，而日中时近也。”一儿曰：“日初出大如车盖，及日中则如盘盂，此不为远者小而近者大乎？”一儿曰：“日初出沧沧凉凉，及其日中如探汤，此不为近者热而远者凉乎？”孔子不能决也。两小儿笑曰：“孰为汝多知乎？”

小学的时候我就一直好奇，他们两个人到底谁说对了呢？究竟太阳何时离我们远呢？为了解决这个问题我们深入学习了相关物理知识，今天我们从科学的角度来分析“两小儿辩日”。

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太阳何时离我们远?

日地距离是指日心到地心的距离,由于地球的自转和公转，每一时刻地球上的每一个位置与太阳的距离都在变化。其中主要变化是由于地球公转引起的，地球绕太阳公转的轨道为椭圆如图1，其中半长轴为1.496×1011m，半短轴为1.4958×1011m，焦距为5×109m，其偏心率为0.0167。地球公转一圈大概需要365天，而早上到中午仅经历约6个小时，所转过的角度。假设如图1所示早上地球位于A点，那么中午地球位于B点已知太阳半径r=6.955×108m，如图1所示CC’=c+2r=6.391×109m。设CB=R，则C’B=2a-R，根据余弦定理，列出方程，可以求得R=1.47094×1011m，CA=1.47100×108km。变化量为0.0001亿千米，相对于整体极其微小，可以忽略不计。所以其实太阳距我们的距离在一天之内我们认为是不变的。

图 1

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为什么中午我们会感觉热呢？

根据上述的分析，我们知道我们距太阳的远近在早上和中午近似相同，所以距离不是影响我们对温度感知的主要因素。人体所感知的温度，主要是空气温度即气温，空气中的热量主要来源于太阳辐射（指太阳以电磁波的形式向外传递能量，太阳向宇宙空间发射的电磁波和粒子流）。太阳的辐射到达地面后，一部分被反射，一部分被地面吸收，使地面升温。地面再通过辐射、传导和对流等方式将热量传给空气，这是空气中热量的主要来源。影响地面温度的因素主要有三点：热量积累，能量密度和能量削减。

从热量积累方面来看：夜间天上挂的是明月，没有太阳、没有辐射，因此大地也没有太阳输送的热量，导致气温不高；而早晨天刚刚亮，太阳辐射较小，且地面没有一定的热量积累，与空气温度温差较小，几乎不向其传递热量，导致早晨“沧沧凉凉”。而到中午时，地面经过近6个小时太阳的照射而积累的热量，使得地面与空气具有较大的温度差，地面向空气传递热量，空气温度升高，人体感知的温度也随之升高。因此“日中如探汤”并非“近者热而远者凉”。

从能量密度方面来看：地面辐射量与太阳辐射紧密相关。太阳辐射的能量在各个方向上是均匀分布的。如图2所示，早上，太阳斜射向大地，因为地球是球体，它的切面是弧形，所以照射的单位面积更大；中午，太阳直射地面，这时它照射到的地面面积比早上的小。因为太阳对地球释放的太阳辐射蕴含的能量在单位时间内是一定的，所以中午照射到的地面面积小，能量密度大，这也会使得中午地面温度高，空气温度高，人体感知温度高。

图 2

从能量削减方面来看：由于早晨太阳高度角小，穿越的大气路径长，因此大气对太阳辐射的削弱作用会更大，到达地面的太阳辐射就会更弱；但在中午时，太阳的高度角大，穿越的大气路径短，大气对太阳辐射的削弱作用小，到达地面的太阳辐射大，这也是使得中午大气温度高于早上的原因之一。

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为什么早上我们看到的太阳大？

早上与中午的日地距离几乎不变，那么为什么我们看到早上的太阳会大呢？是眼睛欺骗了我们吗？

通过初中物理的学习我们知道人眼的晶状体可以被视为一个凸透镜，当不同波长的光同时通过人眼晶状体时，波长短的光焦距短，落在视网膜前面；波长长的光焦距长，落在视网膜后面。因此在视网膜上的成像清晰度就有一定的差别，长波长的暖色成像焦距不准确，在视网膜上形成的像模糊不清，具有某种扩散性；短波长的冷色成像比较清晰，具有某种收缩感。这就是我们平常凝视红色时会产生眩晕现象的原因，如果我们改看青色就没有这种现象了。因此从同一个位置发射不同颜色的光，暖色系的光会让人觉得距离更近，而冷色系的光往往会让人觉得距离更远。早上的太阳是红色的，中午的太阳是白色的，所以人们觉得早上的太阳更远，中午的太阳更近。

这样的视觉错误还有很多种，如图3所示。这些视觉错误会影响人们对距离、大小的判断。如图3(a)所示，人们往往会觉得中心白色块比黑色块大。如图3(b)所示，人们往往会觉得中间的灰线是斜的。这就是色彩的膨胀感与收缩感。

图3（a）

图3（b）

在视网膜成像时，人眼晶状体不同部分对入射光线的折射能力不同，使光线经折射后不再能汇聚在一点从而产生像差，使对比度强的图形轮廓界限部分发生对比加强的边界效应，亮度较高的物体在视网膜上所成像的轮廓外就好像有一圈光圈围绕，使物体在视网膜上的成像扩大，看起来就会觉得比实物大一点，即“光渗现象”（白色的形体在黑色或暗色背景的衬托下，具有较强的反射光亮，呈扩张性地渗出）。当早晨太阳升起时，周围是暗色的天空，太阳会因为人眼对比，显得更加明亮，让人感觉非常大；而中午时，天空与太阳颜色相近，太阳与其亮度反差不大，因此显得较小。

此外，形状的对比也是导致观察到早上和中午太阳大小不同的原因之一。同一个物体放在比它大的物体群中会显得很小，而放在比它小的物体群中就会显得很大。比如一个西瓜，放在一盒樱桃附近，就会觉得它很大；而将这个西瓜与完整的菠萝蜜果实放在一起时又会觉得西瓜很小。同样的道理，日出的太阳周围多是树木或者房屋，相对照下的太阳就会显得大；而中午时，太阳在天空中，对比之下就会显得太阳较小，这就导致人们对太阳大小的认识是早上大中午小。

两小儿的争辩来源于他们看待问题的角度较为片面。在科技逐步发展的今天，我们在不断的探索和思考中越来越接近事物本质。科学的发展与完善总是伴随着批判与反思，不管是出于对自然界现象的好奇，还是出于对推动人类历史进步的责任担当，中国古代两小儿独立思考和大胆质疑的精神都值得被我们永久传承。

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出品：科普中央厨房

监制：北京科技报 | 北科传媒

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