月相的成因及其变化规律
月相的成因及其变化规律
月
球万古不息地围绕着地球运动，而地球又带的月亮永恒地围绕着太阳运动。通常人们粗略地将月球围绕地球的运动看作为圆周运动，实际上月球是以椭圆轨道进行绕地球运动的，它离地球最远时约406699千米，最近约356399千米，平均约38万千米，这一距离大约相当于地球直径的30倍，或者说月球围绕地球运行的轨道，其平均直径大约可以排列60个地球，而轨道的周长大约为240万千米。月亮在这样长的轨道上运行一周所需要的时间，等同于地球上的27日7时43分11.47秒，这一时间称为“恒星月”，或者说需要2360591秒，它在这条轨道上的运行的平均速度大约为每秒1017米。
在太阳系中，可以把地球和月球当作一个系统来看待，地球和月亮的公共质心围绕太阳作椭圆运动（公转），这一质心离地心约4660千米，或者说在地面下1700千米左右，并与月亮在相同的一边。
月球围绕地球作平面椭圆轨道运动，不过严格地来说，月球并不是围绕地心进行圆周运动，而是围绕地球与月球的公共质心作圆周运动。月球围绕地球运行有几个显著特点：（1）月亮围绕地球所走的椭圆，在它的平面里不是固定的，这个椭圆绕着地球，在它平面里沿正方向即月亮运行的方向而运行。这个椭圆的长轴在3232日或8年零310日里转一周。（2）月亮绕地球运行的轨道（即白道）不在地球绕太阳运行的黄道平面里，正因为这样，所以不是每逢新月就有日食，每逢望就有月食。白道的平面和黄道的平面相交成5度多的交角。这两个平面的交线叫交点线。这条交点线也不是固定的，每一个交点在18年224日内沿相反方向，在黄道上转动一周。（3）黄道和
白道两平面的交角也在变化，这一交角的平均值是5度8分48秒，常在极小5度0分1秒和极大值5度17分35秒之间摆动，周期为173天。月球和地球又分别绕它们各自的质心进行自转。
由于月球自转的周期恰好等于它绕地球公转的周期，我们在地球上永远只能看到月球的一面，称为月球正面，另外半个球总是背向地球，即月球背面；但是，人们看到的月球并不止50％，由于月球的天平动，累积起来，人们从地球上实际可以观测到月球整个表面的59%。
由于地球的自转，我们每天可以看到月球的“东升西落”，不过月亮每天升起时间都比前一天平均推迟50分钟。这是因为在地球上某一点某一时刻看到月球升起后，当地球自转一周时（第二天同一时刻），因月亮围绕地球运动已经离开了原来的位置，围绕地球向东运行了约13度，因此地球要再自转约13度，即约50分钟后才能看到月亮，因此月亮升起时间平均每天推迟50分钟。此外，由于地月几何关系的原因，在地球上观看月球起落的时间是不同的。
月球除了绕地球公转外，本身还在自转。月球自转的周期恰好等于它绕地球公转的周期，即27天7小时43分11.47秒，因此，任何时间，我们在地球永远只能看到月球的一面，另外半个球总是背向地球，所以我们看到的月球表面总是相同的。由于月球的天平动，累积起来，人们从地球上可以观测到月球整个表面的59%。这是由于月球的轨道是一个倾斜的椭圆形轨道，它在不同的轨道位置面向地球的一面稍有不同的缘故。
既然月球永远只以一面面向地球，如果不假思索，可能以为这表明月球不自转。其实不然。为了说明这个现象，我们可以想像在月面上某点画一垂
直于表面的箭头。如果月球不自转，在月球绕地球运行的过程中，箭头始终指向空间同一方向，这样我们就可以很容易地发现，月面的各部分将依次朝向地球，我们应该能看到月球的背面，显然这种情况从来没有而且也永远不会发生。所以，只有在月球的自转和绕地球转动的周期相等、方向相同（都是反时针方向）的情况下，月球才能永远以同一面朝着地球。如果月球按顺时针方向自转，即使和绕地球转动的周期相等，在地球上也能看到月面的各部分。因此，月球自转一周的时间，等于一个恒星月，而月球上的一昼夜等于一个朔望月。
由于月球自转，因此在月球上也像地球一样有白天和黑夜之分。月球自转一周的时间等于一个恒星月，因此月球上的一天（一个昼夜）的时间大约相当于地球的1个月。月球任何一个地方一个白天的时间相当于地球的近14天，黑夜的时间也大致相当于地球的14天。
宇宙的奥秘是无穷无尽的，探明宇宙的秘密一直是人类永不放弃的梦想。作为中学生，我们亦对此抱有浓厚的兴趣。在广阔无际的太空中，无疑，月球是距离地球最近的天体，月相变化具有的周期性、规律性，在现实生活中是人们计量时间的尺度之一。
为了揭开月相变化的神秘面纱，加深对高中地理教材中“月相”这一课堂教学重点知识的理解，同时也培养小组成员对地理的浓厚兴趣，我们选择这一课题，目的是探究月亮圆缺变化的周期性规律，深刻理解月相产生机理、了解月相在现实生活中所起的作用。
在研究过程中，我们应用了实地观测法，查找资料法，计算机模拟实验法，
取得了一些研究成果。
在经过一个月的实地观察得出来的记录材料中，我们经过讨论总结，得出以下初步结论：月相的变化以一个月为周期，具有规律性，其出现的地点与时间的不同也表明月相的产生与太阳、地球的位置有一定的关系。
带着这个初步的结论，我们通过查阅参考书，网上搜索等途径，获得了大量的关于月相的资料，使得我们的成果更具权威性。在老师的指导下，我们经过总结，整理，将月相变化的原因和规律总结如下：
众所周知，月球是一个不发光不透明的球体，全靠反射太阳光而发亮，随着月亮相对于地球，太阳的位置变化，就使它被太阳能照亮的一面，有时面向地球，有时背向地球，有时面向地球的亮面部分大一些，有时小一些，这样就出现了不同的月相，如下图：
每当月球运行到太阳与地球之间，月球被太阳照亮的半球背对着地球时，人们在地球上就看不到月球，这一天称为“新月”，也叫“朔日”，这时是农历初一。
过了新月，月球顺着地球自转方向运行，亮区逐渐转向地球，在地球上就可
以看到露出一丝纤细银钩似的月球，出现在西方天空，弓背朝向夕阳，这一月相叫“蛾眉月”，这时是农历初三、四。
随后，月球在天空里逐渐远离太阳，到了农历初七、八，半个亮区对着地球，人们可以看到半个月亮（凸面向西），这一月相叫“上弦月”。
当月球运行到地球的背日方向，即农历十五、十六、十七，月球的亮区全部对着地球，我们能看到一轮圆月，这一月相称为“满月”，也叫“望”。
满月过后，亮区西侧开始亏缺，到农历二十二、二十三，又能看到半个月亮（凸面向东），这一月相叫做“下弦月”。在这一期间月球日渐向太阳靠拢，半夜时分才能从东方升起。
又过四五天，月球又变成一个蛾眉形月芽，弓背朝向旭日，这一月相叫“残月”。
当月球再次运行到日地之间，月亮又回到“朔”。
月相就是这样周而复始地变化着。如果用月相变化的周期（即一次月相变化的全部过程）来计算，从新月到下一个新月，或从满月到期下一个满月，就是一个“朔望月”，时间间隔约29.53天，中国农历中一个月的长度，就是根据“朔望月”确定的。
月球是自西向东绕地球运行的，相对于地球来说，上半月月球是背离太阳越走越远。此时太阳在月球西方，月球西部被太阳照亮，所以这时月球的亮面朝西。而下半月，月球是向着太阳越走越近，太阳在月球东方，月球东部被太阳照亮，因此这时月球亮面朝东。
随着地球自西向东自转，日、月东升西落，上半月月球自西向东朝远离太阳方向运动。上弦月时日地与月地成直角，此时A点日出是6点，对于地球上
的A点来说，再转90°才见月出，于是月出就要12点，也就是月球比太阳迟升后落5小时。同理上半月的蛾眉月、凸月、满月分别迟升后落3小时，9小时、12小时。而下半月月球自西向东朝迎向太阳的方向运动。下弦月时日地与月地也成直角，A点日出6点，则对于A点来说，月出是零点，也就是月球比太阳早升先落6小时，同理，下半月的满月、凸月、蛾眉月比太阳分别早升先落12小时、9小时、3小时。从上面的分析可知由于日、地、月三者位置不断产生周期性变化，所以月球同太阳出没时差也产生周期性变化，出现了上半月月比日迟升后落，下半月月比日早升先落的现象，也就是人们所说的农历上半月月亮上半夜可见，农历下半月月亮下半夜可见。
后记
以上结论与计算机的模拟实验差不多吻合，在研究过程中，我们不可避免地受到了天气等因素的干扰，使研究结果有所误差，但并不妨碍我们得出较为科学的研究结论。在研究过程中，我们也收集到了许多关于月球的资料，极大地丰富了我们关于月球的知识，也算是个额外收获。
其中最有意思的发现是，月球的自转周期与公转周期是相同的。这是课本教材上不曾有的知识。因此我们明白了为什么人们始终只能看到月球的同一个面，直到20世纪70年代，人类从没看到过月球的背面是什么样子的原因。
关于月球的形状，我们了解到有一个概念叫月龄。所谓月龄或是用月数来表示的，从新月时起算到各月相所经过的时间，例如新月后3天12小时的月龄是3.5，眉月的月龄是3、望月、满月的月龄为15，知道了月龄，就能判断月球的形状、出没时刻及可见方向。
使用双筒望远镜和天文望远镜观察月面时，要细心观测那些月面有缺边的
月龄，经过长时间的连续观测，就可以发现即使是相同的月龄，缺边的位置也不尽相同。长时间地观测月面，并且对边缘部分的目标进行仔细的记录比较，不难发现月面有一种所谓的秤动现象。
多亏有了月球的秤动，才使我们能够看到59%的月球表面，月球背面的41%只有绕到月球后侧去观测了。
感想
通过这次研究性学习，我们小组所有成员在加深了对“月相”这一天文现象理解的同时，更重要的是激发了对地理课和对科学研究的兴趣，同时也掌握了不少科学研究方法，这对我们将来的学习和工作将是非常有益的。
附图：月相概况表