日食發生的原因說起來很簡單——月球運行到太陽與地球之間而遮住太陽之故，但要較透徹地闡明日食的發生規律卻是相當復雜和棘手的。我們現在的日食知識是從古以來長久觀測研究逐漸積累下來的，至今仍有需要深入探索的問題。這里按歷史發展來介紹有關知識，“溫故而知新”，可以得到某些啟迪。古代人仰望星空，直觀感覺好像大多數星辰嵌在一個巨大的天穹或天球上，繞地球旋轉，因而稱它們為恒星；但有5顆星（水星、金星、火星、木星、土星）卻常在恒星之間游動，稱為行星；而月球和太陽在星空的“視運動”有規律地循環。用三角測量法測出了太陽比月球遠……公元2世紀，集古代天文學成就，托勒密在其名著《天文學大成》中闡述了宇宙地心體系（即地心說），認為地球靜止于宇宙中心，各行星在其特定，的本輪和均輪上繞地球轉動，且跟恒星一起每天繞地球轉一圈，試給天象規律作了一種數學理論描述，有其歷史功績。因他否認上帝，直到1215年教會還禁止講授他的理論。直到后來，教會才把地心說作為統治工具，禁錮人們的思想。

1543年，哥白尼在名著《天體運行論》中提出宇宙日心體系（即日心說），形成太陽系概念。他論證了地球和行星依次在各自軌道上繞太陽公轉；月球是繞地球轉動的衛星，同時隨地球繞太陽公轉；日月星辰每天東升西落現象是地球自轉的反映；恒星比太陽遠得多。正如書名中“revolution”一詞有“運行”（繞轉或公轉）和“革命”雙關意思，從此自然科學便開始從神學中解放出來。

18世紀初，開普勒分析第谷留下的行星觀測資料，發現“行星運動三定律”：

（1）行星繞太陽運動的軌道是橢圓，太陽位于橢圓的一個焦點上；（2）連接太陽到行星的直線（向徑）在相等的時間掃過的面積相等；（3）行星公轉周期P的平方與軌道半長徑n的立方成正比，即對下標i=1，2，3，表示的各行星，有等量公式表述為：

P1^2/a1^3=P2^2/a2^3=P3^2/a3^3=K（常數）

繼而，牛頓總結當時的天文學和力學，進行科學抽象和數理推演，寫出名著《自然哲學的數學原理》，由開普勒定律導出萬有引力定律：兩個物體之間的引力F跟它們質量（M1和M2）的乘積成正比，跟它們距離（r）的平方成反比，即F=GM1M2/r^2。

式中，G（=6.672×10-11牛頓·米2／千克2）為引力常數。他奠立了天體力學基礎，可用來從觀測某顆行星在不同時間的視位置來推算出行星的軌道根數，再推算而預報出該行星在未來某時刻的視位置。這種方法同樣適用于月球繞地球的軌道運動。

運動是相對的。地球上的人們看到太陽、月球、星辰每天在進行東升西落的周日“視運動”，實際上，這是地球自轉的反映；在其他星球上的“外星人”，甚至到月球上的宇航員，就會觀測到地球在自轉。地球上的人們看到的月球每個月繞地球“視運動”轉一圈的現象、太陽每年繞地球轉一大圈的周年視運動現象——實際上是地球每年繞太陽轉一圈。古代人雖然不可能知道有天體力學，但是卻不乏聰明智慧，“觀乎天文，以察時變”，應當說，我們剛才這幾句“習以為常”的話是“本末倒置”了。事實上，應當是從觀測太陽、月球、星辰的“視運動”周期性規律來確定時間的——以地球相對于太陽的自轉運動平均周期來確定一天（晝夜）或“平太陽日”，以月球的圓缺變化周期來確定陰歷“朔望月”，以太陽相對于遙遠恒星的視運動周期來確定“回歸年”。古代天文學家雖然不知道太陽-地球和地球-月球的準確距離，卻能夠從太陽和月球的視運動觀測來推算和預報日食和月食，真令我們欽佩！這里的簡述雖然是“形而上學”的，但至今仍使用“球面天文學”知識來論述天體視運動。

自古以來，人們直覺以為恒星仿佛嵌在“天穹”或“天球”上，實際上，并不存在真實的“天”或“天球”，只是借助假想的、半徑非常大（常用一定半徑代替）的天球，建立天球坐標系，來觀測研究天體的“方位”和“視運動”。

根據方便和需要，選取天球上的基本點（原點）和基本圈（經過球心的平面與天球相交的大圓），約定計量的方向和范圍，建立天球坐標系，進而觀測計量天體的視方位（以2個角度為坐標來表示）。最常用的是地心天球“赤道坐標系”：地球自轉軸延長就是天軸、交于天球的南天極P′和北天極p，跟天軸垂直的天赤道面交于天球的大圓則稱為天赤道。相對于遙遠的恒星來說，地球半徑、甚至公轉軌道半徑都顯得微小而可忽略，因而地球表面觀測的星空就如同在地心觀測一樣（但自轉仍存在，因而仍觀測到同樣的天體視運動）。從地球上看，太陽一年中在天球上視運動軌跡的大圓稱為黃道，實際上黃道就是地球繞太陽公轉軌道面（黃道面）和天球相交的大圓。垂直于黃道的天球直徑兩端稱為北黃極K和南黃極K′。黃道和赤道有兩個交點，太陽視運動從赤道南到北經過的交點（升交點）γ稱為春分點，另一交點（降交點）Ω稱為秋分點。

最常用的是赤道坐標系，以春分點γ為原點，天赤道和過春分點的赤經圈（即，經過南、北天極的大圓）為基本圈，兩個坐標是赤經和赤緯。經過天體（投影點）X的赤經圈交天赤道于一點，那么圓弧LLTOL的角度稱為赤經，從西向東計量，范圍為0°到360°（常以“對應”時間范圍。0小時到24小時以及時分、時秒表示），符號為α；圓弧L∠LOX的角度就是赤緯，符號為δ，從天赤道向北、向南計量分別為0°到90°和-90°。

黃道坐標系的基本圈為黃道，垂直于它的天球直徑交于天球的兩點為北黃極K和南黃極K。通過兩黃極的大圓為黃經圈。仍取春分點甲為原點。經天體X和黃極的黃經圈KXK′交黃道于L。圓弧訌∠γOL的角度是黃經，符號為λ，而圓弧XL∠LOX的角度是黃緯，符號為β。

這兩種坐標都是固定在天球上的，它們可以相互換算。在使用望遠鏡觀測天體時，用赤道坐標很方便。在討論日食發生時，用黃道坐標更方便。