第三章地球的運(yùn)動

第三章地球的運(yùn)動第一節(jié)地球的自轉(zhuǎn)一、地球自轉(zhuǎn)及其證明1．地球自轉(zhuǎn)的含義與方向⑴地球自轉(zhuǎn)的含義:地球繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。⑵地球自轉(zhuǎn)方向北半球看呈逆時針方向（即向左）,南半球看呈順時針方向（即向右）,這樣的方向被稱為向東。2．地球自轉(zhuǎn)的發(fā)現(xiàn)和證明⑴地球自轉(zhuǎn)的發(fā)現(xiàn)

人們很早就發(fā)現(xiàn)日月星辰每天都自東向西繞轉(zhuǎn)一周，但對這種現(xiàn)象，早期被認(rèn)為是所有的星辰都在繞地球旋轉(zhuǎn)，直到16世紀(jì)波蘭天文學(xué)家哥白尼經(jīng)過反復(fù)論證，才肯定“天旋”是由于“地轉(zhuǎn)”。

⑵地球自轉(zhuǎn)的證明①重力測量與弧度測量自轉(zhuǎn)→重力加速度赤道最小、兩極最大；地球不是正球體而是橢球體

②傅科擺實驗1851年，法國物理學(xué)家傅科在巴黎保泰安教堂，用一個特殊的單擺讓在場的觀眾親眼看到了地球在自轉(zhuǎn)。后人為紀(jì)念其功獻(xiàn)而將這種單擺稱為“傅科擺”?！鸶悼茢[的特征擺長67m，以增加擺動的振幅和周期、減慢擺動速度以減小空氣阻力。擺錘重27kg，增大擺動慣性、儲備足夠的擺動機(jī)械能以延長擺動時間。懸掛裝置特殊，能使擺動平面超然于地球自轉(zhuǎn)?！鸶悼茢[證明地球自轉(zhuǎn)的原理作為一種物質(zhì)形式，擺無法脫離地球自轉(zhuǎn)的牽連，但作為一種運(yùn)動狀態(tài)，擺動和擺動平面卻可以超然于地球自轉(zhuǎn)?！鸶悼茢[偏轉(zhuǎn)的規(guī)律偏轉(zhuǎn)角速度與緯度的正弦成正比偏轉(zhuǎn)方向，北半球順時針偏轉(zhuǎn)，即向右偏；南半球逆時針偏轉(zhuǎn)，即向左偏。③落地偏東自轉(zhuǎn)→自轉(zhuǎn)速度隨高度增加而增加，自高處下落的物體因具有較高的向東的自轉(zhuǎn)速度，必然落在偏東的地點(diǎn)。落地偏東的偏移量與緯度有關(guān)：赤道最大，緯度越高，偏東的位移量越小，極點(diǎn)處無偏東現(xiàn)象,用公式表示為:

ABB'AB東V落地偏東的位移量很小，如緯度40°，高度200m處下落的物體東偏位移只有4.75cm；而且受地轉(zhuǎn)偏向的影響，北半球落體偏東略微偏南，南半球落體偏東略微偏北。二、地球自轉(zhuǎn)的規(guī)律性地軸是地球自轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸，與地球表面相交于南北兩極，其無限延伸便是天軸，天軸與天球相交于南北天極。南北兩極在地面上的位置，可用來表示地軸在地球內(nèi)部的位置；南北天極在天球上的位置，可用來表示地軸在宇宙空間的位置。地球上的南北兩極和天球上的南北天極都由地軸的位置決定。地軸無論是在地球內(nèi)部的位置，還是在宇宙空間的位置都不是一成不變的。地軸在地球內(nèi)部位置的變化，表現(xiàn)為地球南北兩極在地面上的移動，稱為極移，是整個地球相對于地軸的運(yùn)動所造成的（地軸的空間位置被認(rèn)為不變，即天極在天球上位置不變）；地軸在宇宙空間位置的變化，表現(xiàn)為南北天極在天球上的移動，稱為進(jìn)動，是地軸本身相對于宇宙空間和恒星世界的運(yùn)動所造成的（地軸在地球內(nèi)部的位置被認(rèn)為不變，即地極在地球上的位置不變）。1．極移——地極在地面上的移動⑴極移的振幅：≤0.5"或15m①自由擺動：自轉(zhuǎn)軸對于慣性軸的偏離，周期為14個月②受迫擺動：大氣運(yùn)行的季節(jié)性，周期為12個月⑵極移的原因和周期極移造成各地經(jīng)緯度的變化；反過來，可通過精確測定經(jīng)緯度來研究極移。一般極移觀測站多在39o08'N附近，國際上1899年（我國1964年）便開始設(shè)站觀測極移現(xiàn)象。⑶極移的影響和觀測進(jìn)動，在物理學(xué)中，是指轉(zhuǎn)動物體的轉(zhuǎn)動軸環(huán)繞另一軸的轉(zhuǎn)動，是一種圓錐形運(yùn)動，如陀螺的轉(zhuǎn)動軸環(huán)繞鉛垂線的轉(zhuǎn)動。2．地軸進(jìn)動——天極在天球上的移動⑴進(jìn)動地軸的進(jìn)動就是指地軸環(huán)繞黃軸（過黃極且垂直于黃道）的轉(zhuǎn)動。①圓錐形運(yùn)動的圓錐軸線為黃軸。②圓錐半徑為23°26′，就是黃赤交角。③進(jìn)動的方向向西，同地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)方向相反，所以稱為“退行”。④進(jìn)動的速度是每年50.29"，周期為25800年。⑵地軸進(jìn)動的特征ε①地球是一個橢球體，赤道隆起部分受到一個來自日月的附加引力，且向日月的一側(cè)稍大于背日月的一側(cè)，二者的差值存在于向日月一側(cè)并指向日月。⑶地軸進(jìn)動的原理②黃赤交角的存在使日月經(jīng)常在赤道平面以外對赤道隆起施加引力。向日月和背日月部分的赤道隆起所受的引力差值形成一個力矩，其作用是把赤道面“拉”回黃道面，地軸趨近黃軸。

③地球存在自轉(zhuǎn)，根據(jù)物理學(xué)原理，轉(zhuǎn)動物體受到垂直于其自轉(zhuǎn)軸的外力矩作用時，其自轉(zhuǎn)軸便向外力矩的正方向靠攏。

①天極的周期性運(yùn)動⑷地球進(jìn)動的表現(xiàn)

北半球看，北天極以黃北極為中心，23o26'為半徑，由東向西作圓運(yùn)動，速度每年50.29"，2.58萬年完成一周。北天極的移動，導(dǎo)致北極星的運(yùn)動。北極星，指的是靠近北天極的亮星，因此它必然隨北天極的移動而輪番替換。公元前3000是天龍座α，即右樞，現(xiàn)在是小熊座α，即勾陳一，到公元13600天琴座α，即織女星將成為北極星。②赤道面的系統(tǒng)性變化

赤道面永遠(yuǎn)垂直于地軸，隨著地軸的進(jìn)動而進(jìn)動，從而使赤道面與黃道的交點(diǎn)以同樣的方向和速度在黃道上移動，約71年又7個月向西移動1°，稱為“交點(diǎn)退行”。

γKP周期：25800年速度：50.29"/a方向：自東向西③交點(diǎn)退行使以春分點(diǎn)為參考點(diǎn)量度的回歸年略短于恒星年，其差值約為20分，中國古代稱此為“歲差”。④春分點(diǎn)的西移，引起赤道坐標(biāo)系中恒星的赤經(jīng)和赤緯發(fā)生緩慢的持續(xù)變化，同時也引起黃道坐標(biāo)系中黃經(jīng)的持續(xù)變化。3.地球自轉(zhuǎn)的周期⑴自轉(zhuǎn)周期與時間的量度通常說地球自轉(zhuǎn)的周期是1日。其實，與其說地球自轉(zhuǎn)以1日為周期，倒不如說時間的量度以地球自轉(zhuǎn)的周期為1日。而地球自轉(zhuǎn)周期的量度，需要在地外尋找一個超然于地球自轉(zhuǎn)的參考點(diǎn)。這樣1日的長短便會因選取的參考點(diǎn)不同而不同，天文上的“日”有三種：恒星日，太陽日和太陰日。⑵恒星日、太陽日與太陰日恒星日:同一恒星連續(xù)兩次在同地中天所需的時間，23時56分太陽日:太陽連續(xù)兩次在同地中天所需的時間，24時太陰日:月球連續(xù)兩次在同地中天所經(jīng)歷的時間，24時50分

⑶太陽日和太陰日比恒星日長的直接原因太陽和月球在天球上向東運(yùn)行，其赤經(jīng)不斷增大，從而推遲中天，因此連續(xù)兩次中天的時間間隔隨之拉長。1個太陽日內(nèi)，地球自轉(zhuǎn)了360°59′；1個太陰日內(nèi)，地球自轉(zhuǎn)了373°38′。

⑷太陽日和太陰日比恒星日長的根本原因地球和月球向東公轉(zhuǎn)，延遲了太陽和月球第二次中天的時間；月球公轉(zhuǎn)速度比地球快，所以太陰日比太陽日還要長。4．真太陽日與平太陽日

⑴真太陽日和平太陽日的含義太陽日不僅取決于地球的自轉(zhuǎn)，而且也包含著地球公轉(zhuǎn)的因素。地球向東公轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為太陽向東的周年運(yùn)動，從而引起太陽赤經(jīng)逐日增大。太陽赤經(jīng)逐日增大的速度，即每日赤經(jīng)差，隨季節(jié)而變化，從而導(dǎo)致太陽日的長短也隨著季節(jié)的變化而變化，這種逐日變化的太陽日稱為真太陽日或視太陽日。真太陽日的全年平均值，稱為平太陽日。

⑵太陽每日赤經(jīng)差季節(jié)變化的原因①黃赤交角的存在地球公轉(zhuǎn)引起的太陽視位置的差異，表現(xiàn)為太陽逐日的黃經(jīng)差，而太陽日是用太陽的時角來量度，而時角與太陽赤經(jīng)等量。根據(jù)第二赤道坐標(biāo)系與黃道坐標(biāo)系的關(guān)系來看，赤經(jīng)與黃經(jīng)有共同的原點(diǎn)，但基圈卻不相同，所以即使有相同的黃經(jīng)差，也不會有相同的赤經(jīng)差，二者的具體差異與黃赤交角大小密切相關(guān)。二分日，黃道與天赤道的交角最大，平均每日59'的黃經(jīng)差，造成大約54'的赤經(jīng)差，相應(yīng)的時間減少21秒；二至日，黃道與天赤道基本平行，平均每日59'的黃經(jīng)差，造成大約64'的赤經(jīng)差，相應(yīng)的時間增加21秒。如果沒有其他原因，一年中最長的真太陽日約為24時0分21秒，發(fā)生在二至；最短的真太陽日約為23時59分39秒，發(fā)生在二分。②地球的橢圓軌道地球沿橢圓軌道繞太陽運(yùn)行，公轉(zhuǎn)速度不等，造成太陽每日黃經(jīng)差存在周年變化。近日點(diǎn)，地球公轉(zhuǎn)速度最快，每日黃經(jīng)差最大，約為61'，相應(yīng)地赤經(jīng)差增大2'，真太陽日增長8"；遠(yuǎn)日點(diǎn)，地球公轉(zhuǎn)速度最慢，每日黃經(jīng)差最小，約為57'，相應(yīng)地赤經(jīng)差減少2'，真太陽日減少8"。如果沒有其他原因，一年中最長的真太陽日約為24時0分8秒，發(fā)生在1月初；最短的真太陽日約為23時59分52秒，發(fā)生在7月初。1月2日視午1月1日視午4月2日視午4月1日視午7月2日視午7月1日視午（a）視太陽日平太陽日（a）視太陽日平太陽日（a）視太陽日平太陽日黃赤交角與橢圓軌道兩個因素共同影響，造成全年最長的真太陽日為24時0分29秒，發(fā)生在冬至；最短的真太陽日為23時59分39秒，發(fā)生在秋分前（9月17日）。

5．地球自轉(zhuǎn)的速度⑴角速度①地球各部分自轉(zhuǎn)角速度相同。②地球自轉(zhuǎn)角速度平均每小時15o，或每分15'，每秒15"（恒星時）；如換成平太陽時，就為15o2'6"/h。

⑵線速度①地球自轉(zhuǎn)的線速度因緯度和高度而不同。②同一高度，地球自轉(zhuǎn)線速度隨緯度增大而減?。撼嗟郎献赞D(zhuǎn)線速度最大，為465m/s，任意緯度的自轉(zhuǎn)線速度可由下式求算：Vφ=465m/s·cosφｒＲФ

hrh③同一緯度，地球自轉(zhuǎn)線速度隨高度增加而增大：赤道上，高度每增加100m，自轉(zhuǎn)線速度增加26m/s。

ｒＲФ

hrh⑶地球自轉(zhuǎn)速度存在長期變化、季節(jié)變化和不規(guī)則變化①長期變化的主要原因是月球和太陽對地球的潮汐作用。潮汐摩擦對地球自轉(zhuǎn)起著剎車作用，不斷減慢地球自轉(zhuǎn)速度。②季節(jié)變化又分為周年變化和半周年變化。周年變化是季風(fēng)的變化引起的，振幅為25～25ms；半周年變化是大氣潮汐引起的，振幅為9ms。③不規(guī)則變化是由于地球內(nèi)部和外部的物質(zhì)移動和能量交換所致。三、地球自轉(zhuǎn)的地理效應(yīng)1．天球的周日運(yùn)動恒星的周日運(yùn)動是地球自轉(zhuǎn)的單純反映。其運(yùn)動的路線稱為周日圈，是各恒星所在的赤緯圈，都以南北天極為不動的中心，每顆恒星都有不變的出沒方位和中天高度。天和地的關(guān)系，猶如球面與球心的關(guān)系，恒星周日運(yùn)動的方向同地球自轉(zhuǎn)方向相反。恒星周日運(yùn)動的周期（恒星日）和角速度，如實地反映了地球自轉(zhuǎn)的周期和角速度。

⑴不同天體的周日運(yùn)動①恒星的周日運(yùn)動太陽和月球的周日運(yùn)動不僅是地球自轉(zhuǎn)的反映，還有地球和月球公轉(zhuǎn)的因素。地球和月球向東公轉(zhuǎn)，使太陽和月球存在向東的巡天運(yùn)動，造成其周日運(yùn)動周期都比恒星周日運(yùn)動周期長。表現(xiàn)為恒星逐日提前4分鐘中天，造成星空形象的季節(jié)變化；月亮逐日推遲約50分鐘中天。太陽和月球的周日圈因其赤緯的變化而變化，沒有固定的出沒方位和中天高度。太陽周日圈的變化，引起晝夜長短和正午太陽高度的變化，從而形成季節(jié)的遞變。

②太陽和月球的周日運(yùn)動A．恒顯星是指周日圈全部位于地平圈以上，永不落下的恒星，也叫拱極星。B．恒顯星區(qū)，即恒顯星的范圍，是一個以仰極為中心的圓形天空區(qū)域。C．恒顯圈，即恒顯星區(qū)界線，是在北點(diǎn)同地平圈相切的赤緯圈，其半徑等于仰極距，等于當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?。⑵不同緯度的周日運(yùn)動①恒顯星、恒顯星區(qū)和恒顯圈A．恒隱星是指周日圈全部位于地平圈以下，永不升起的恒星。B．恒隱星區(qū)，即恒隱星的范圍，是一個以俯極為中心的圓形天空區(qū)域。C．恒隱圈，即恒隱星區(qū)的界線，是在南點(diǎn)同地平圈相切的赤緯圈，其半徑也等于當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?。②恒隱星、恒隱星區(qū)和恒隱圈出沒星是指周日圈同地平圈相交，有東升西落現(xiàn)象的恒星。出沒星區(qū)的范圍是一個以天赤道為中心的環(huán)帶，環(huán)帶的寬度等于當(dāng)?shù)赜嗑暤亩丁?/p>

③出沒星④天球周日運(yùn)動的緯度差異，主要表現(xiàn)在恒顯星、恒隱星和出沒星的范圍大小不同：緯度愈高，恒顯星區(qū)和恒隱星區(qū)愈大，出沒星區(qū)愈小，周日圈與地平圈的交角愈??；緯度越低，仰極高度越小，恒顯星和恒隱星區(qū)越小，出沒星區(qū)越大，周日圈與地平圈的交角越大。

⑴不透明的地球在太陽光的照射下，一半為白晝，另一半為黑夜，晝半于與夜半球之間的分界線稱為晨昏線。

2．以太陽日為周期的晝夜交替⑵地球自西向東自轉(zhuǎn)，使晨昏線自東向西不斷移動，從而形成晝夜交替，同時使各地以太陽為參考點(diǎn)的地方時因經(jīng)度不同而不同，且東邊的地點(diǎn)地方時較西邊的地點(diǎn)早。

⑶晝夜交替，使太陽可均勻加熱地球，為生物創(chuàng)造了較好的生存環(huán)境，也使地球上一切生命活動和各種物理化學(xué)過程都具有明顯的晝夜變化。

地球坐標(biāo)的確定，是以地球自轉(zhuǎn)特性為依據(jù)的。因為地球坐標(biāo)系的基本圈和基本點(diǎn)是與自轉(zhuǎn)相聯(lián)系的：赤道是地球表面自轉(zhuǎn)線速度最大的各點(diǎn)連成的大圓；極點(diǎn)是線速度為零的兩點(diǎn)；地軸是地球內(nèi)部線速度為零的各點(diǎn)連成的直線。

3．地球坐標(biāo)的確定①地球上的方向都以經(jīng)線和緯線為準(zhǔn)，而經(jīng)線和緯線因地球自轉(zhuǎn)而不變改變空間方向。②水平運(yùn)動的物體由于慣性而保持速率和方向不變。

⑴造成地表水平運(yùn)動方向偏轉(zhuǎn)的原因4．水平運(yùn)動的偏轉(zhuǎn)由于地球自轉(zhuǎn)，使北半球經(jīng)緯線逆時針方向（向左）偏轉(zhuǎn)，南半球經(jīng)緯線順時針方向（向右）偏轉(zhuǎn)，從而造成真正保持運(yùn)動方向不變的物體相對地發(fā)生向右（北半球）或向左（南半球）偏轉(zhuǎn)。

⑵水平運(yùn)動方向偏轉(zhuǎn)的規(guī)律性按慣性定律，如果物體運(yùn)動方向或速率發(fā)生改變，必定是受某種處力的影響。地球自轉(zhuǎn)造成的水平運(yùn)動方向偏轉(zhuǎn)，被假想成受到一個力的作用。這個力最早由法國數(shù)學(xué)家科里奧利研究并確認(rèn)，故稱為科里奧利力，簡稱科氏力，地理和氣象學(xué)上稱為地轉(zhuǎn)偏向力。

⑶地轉(zhuǎn)偏向力地轉(zhuǎn)偏向力是一種視力，一種假想的力，只能改變物體運(yùn)動的方向，而不能改變其速率，其大小隨緯度和物體運(yùn)動速度而定：F=2Vωmsinφ第二節(jié)地球的公轉(zhuǎn)一、地球公轉(zhuǎn)及其證明1.公轉(zhuǎn)的定義與方向⑴地球繞太陽的運(yùn)動，稱為地球的公轉(zhuǎn)。⑵地球公轉(zhuǎn)的方向與其自轉(zhuǎn)方向相同。2．地球公轉(zhuǎn)的證明⑴恒星周年視差①視差位移視差位移，是指由于觀測者位置的變化而引起目標(biāo)方向發(fā)生改變的現(xiàn)象。是指在地球上觀察恒星時，由于地球的公轉(zhuǎn)運(yùn)動導(dǎo)致該恒星相對天于背景發(fā)生視位移的現(xiàn)象。地球在半年的空間位移雖然十分巨大（近3億km）,但相比之下恒星的距離更為遙遠(yuǎn)，因此恒生的視差位移極為微小和難以觀察。②恒星的視差位移現(xiàn)象恒星的視差位移以一年為周期；恒星周年視差位移的路線是一封閉曲線，但其具體形狀則因恒星的黃緯而不同：近黃極恒星，周年視差位移路線與地球公轉(zhuǎn)軌道相同，接近一個正圓；黃道上恒星，周年視差位移路線則成一段直線；其它黃緯上的恒星，周年視差位移路線都是橢圓，且愈近黃極，扁率愈小。③恒星周年視差橢圓地球上觀測到的恒星實際視位置同其平均視位置（從太陽上觀測到的位置）進(jìn)行之間總存在一個偏差其大小同地球在其軌道上位置有關(guān)。當(dāng)日地連線垂直于星地連線時，同一恒星的視差位移達(dá)到極大值，被稱為恒星的周年視差，或簡稱為年視差。

④恒星周年視差的大小年視差（左）和光行差（右）的比較恒星年視差位置的偏離方向，二者有90之差近日點(diǎn)：距日1.471億km，地球1月初經(jīng)過；遠(yuǎn)日點(diǎn)：距日1.521億km，地球7月初經(jīng)過；中距點(diǎn)：地球短半軸的兩個端點(diǎn)，地球于4月初和10月初經(jīng)過。⑵太陽在軌道中的位置地球公轉(zhuǎn)軌道面與赤道面之間的夾角，亦即黃道與天赤道之間的夾角，稱為黃赤交角。黃道與天赤道相交于春秋二分點(diǎn)，黃道與距天赤道最遠(yuǎn)的兩點(diǎn)，稱為二至點(diǎn)，距天赤道23°26′,稱黃赤大距。黃赤交角的存在，具有重要的天文和地理意義。2．黃赤交角3．公轉(zhuǎn)周期365.2425d365.2422d346.62d365.2596d⑴角速度：平均每日59⑵線速度：平均每秒30公里⑶面速度：不變4．地球公轉(zhuǎn)速度⑴太陽周年運(yùn)動的軌跡——黃道，如實地反映了地球軌道平面在天空中的位置。

三、地球公轉(zhuǎn)的地理效應(yīng)1．太陽周年（視）運(yùn)動⑵太陽在黃道上的不同位置，真實地反映了地球在公轉(zhuǎn)軌道上的位置。一羊二牛三雙子，四蟹五獅室女連，七秤八蝎九人馬，摩寶雙魚十二全。⑶太陽周年運(yùn)動的方向、角速度和周期，分別如實地反映了地球公轉(zhuǎn)的方向、角速度和周期。

行星與太陽的會合運(yùn)動，是指由于太陽和行星都以各自特定的周期在地心天球上運(yùn)動，從而導(dǎo)致太陽和各個行星之間存在著相對運(yùn)動，實質(zhì)是地球與各大行星繞太陽公轉(zhuǎn)速度不同而呈現(xiàn)出來的一種復(fù)合運(yùn)動。2．行星同太陽的會合運(yùn)動⑴會合運(yùn)動的概念當(dāng)行星和太陽的黃經(jīng)相等時，二者都處于地球的同一側(cè)，就是行星同太陽會合，叫做行星合日，或簡稱合。相反，當(dāng)行星和太陽的黃經(jīng)相差180o而處于地球的兩側(cè)時，叫做行星沖日，或簡稱沖。⑵行星合日和沖日E上合沖下合合行星合日是一種周期性現(xiàn)象。從這一次行星合日到下一次行星合日所經(jīng)歷的時間，叫行星的會合周期。會合周期的長短，取決于行星公轉(zhuǎn)周期和地球公轉(zhuǎn)周期。二者之間的具體關(guān)系，則因地內(nèi)行星和地外行星而不同。⑶會合運(yùn)動的周期①地內(nèi)行星與太陽會合運(yùn)動的周期②地外行星與太陽會合運(yùn)動的周期地內(nèi)行星與太陽的黃經(jīng)差，有一定的限度（且＜90°），稱為大距（即最大的距角）。其中位于太陽之東的大距，叫做東大距；位于太陽之西的大距，叫做西大距。東西大距是觀測地內(nèi)行星的最好時機(jī)。地內(nèi)行星的合日有上合和下合之分，距離地球近的一次