第三章 地球運動(2012級用)

第一章地理坐標和天球(tiānqiú)坐標第二章地球的宇宙環(huán)境第三章地球的運動共八十三頁§3.1地球的自轉(zhuǎn)(zìzhuàn)一、地球自轉(zhuǎn)的證明和發(fā)現(xiàn)二、地球自轉(zhuǎn)的規(guī)律三、地球自轉(zhuǎn)的后果§3.2地球的公轉(zhuǎn)一、地球的公轉(zhuǎn)及其證明二、地球公轉(zhuǎn)的規(guī)律三、地球公轉(zhuǎn)的后果§3.2共八十三頁§3.1地球的自轉(zhuǎn)一、地球自轉(zhuǎn)及其證明1、地球自轉(zhuǎn)地球自轉(zhuǎn)就是地球本身(běnshēn)的旋轉(zhuǎn)地軸共八十三頁2、地球自轉(zhuǎn)的證明(zhèngmíng)1）落體東偏AA'BB'C共八十三頁2、地球自轉(zhuǎn)的證明2）傅科擺

1851年，讓·傅科（JeanFoucault）在巴黎國葬院（法蘭西共和國的先賢祠）的大廳(dàtīng)里，進行了一項有趣的實驗——傅科擺實驗。傅科擺的設(shè)計原理：牛頓第一定律（1）擺不受外力作用（2）超然于地球自轉(zhuǎn)共八十三頁擺錘——28kg擺長——67m擺的懸掛——擺動(bǎidòng)超然于地球自轉(zhuǎn)共八十三頁傅科擺偏轉(zhuǎn)(piānzhuǎn)現(xiàn)象的解釋共八十三頁擺動(bǎidòng)平面的偏轉(zhuǎn)角速度共八十三頁共八十三頁二、

地球自轉(zhuǎn)(zìzhuàn)的規(guī)律1、地球自轉(zhuǎn)的方向(fāngxiàng)2、地球自轉(zhuǎn)的周期3、地球自轉(zhuǎn)的速度共八十三頁1、地球(dìqiú)自轉(zhuǎn)的方向1）地球自轉(zhuǎn)的方向地軸：有方向的射線右手法則：北極上空，逆時針方向；南極上空，順時針方向地球自轉(zhuǎn)的方向：地球的東西方向；天球上的東西方向2）地軸的空間位置（1）地軸與地球本體(běntǐ)的相互配置問題——極移（2）地軸空間指向的變化——地軸進動共八十三頁（1）極移定義地軸在地球內(nèi)部的位置變化(biànhuà)原因地球內(nèi)部物質(zhì)的運動和變化范圍

15×15m2或±0.5后果地理坐標的變化共八十三頁（2）地軸(dìzhóu)進動天極在天球上位置的變化（極移與進動）方向、周期、軌跡(guǐjì)（圖）原因（圖）表現(xiàn)（圖）共八十三頁

極移是地極的移動，不涉及天極在天球(tiānqiú)上位置的變化；進動造成天極的移動，不涉及地極在地面上的位置的變化。極移與進動(jìndònɡ)的比較共八十三頁地軸進動的方向、周期、軌跡方向：向西（與地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)方向相反）周期：25800年速度：50/年軌跡：圓錐面圓錐軸垂直于軌道平面，指向(zhǐxiànɡ)黃極；圓錐半徑23

（黃赤交角）。共八十三頁左圖：陀螺的進動(jìndònɡ)（向東）右圖：地球的進動（向西）地軸進動的原因地球形狀(xíngzhuàn)黃赤交角地球自轉(zhuǎn)共八十三頁圖力矩M1>M2，合力矩使地軸(dìzhóu)趨近黃軸共八十三頁地軸進動的表現(xiàn)天極周期性運動，北極星變遷(biànqiān)；赤道面（和天赤道）的系統(tǒng)的變化，二分點沿黃道西移（交點退行）；歲差天球坐標的變化（赤經(jīng)、赤緯；黃經(jīng)）共八十三頁圖北極星隨天北極移動(yídòng)而變遷共八十三頁圖二分二至點因地軸進動而在黃道上不斷(bùduàn)西移（虛線表示舊天赤道，實線表示新天赤道）共八十三頁2、地球自轉(zhuǎn)的周期(zhōuqī)1）三種周期的定義及關(guān)系2）真太陽日長度的周年變化（1）原因；（2）規(guī)律名稱參考點影響因素轉(zhuǎn)過角度長度恒星日恒星地球自轉(zhuǎn)360o23小時56分太陽日太陽地球自轉(zhuǎn)地球公轉(zhuǎn)360o59

24小時太陰日月球地球自轉(zhuǎn)月球公轉(zhuǎn)373o38

24小時50分共八十三頁2、地球自轉(zhuǎn)的周期

1）三種周期的定義（1）恒星日

同一恒星連續(xù)兩次在同地中天的時間，地球自轉(zhuǎn)的真正周期（有細微差別），23小時(xiǎoshí)56

分天文學以春分點定義恒星日；恒星日是同恒星時（春分點的時角）相聯(lián)系的。共八十三頁（2）太陽日

太陽連續(xù)兩次在同地中天時間(shíjiān)，24小時00

分

恒星日和太陽日的比較

（3）太陰日

月球連續(xù)兩次在同地中天時間，24小時50分

恒星日與太陰日的比較

共八十三頁

在一個恒星日內(nèi)，地球(dìqiú)自轉(zhuǎn)360°；在一個太陽日內(nèi)，地球公轉(zhuǎn)59

，自轉(zhuǎn)360°59

。太陽日比恒星日約長4分。恒星日與太陽日比較(bǐjiào)共八十三頁

在一個恒星日內(nèi)，地球自轉(zhuǎn)360°；在一個太陰日內(nèi)，月球公轉(zhuǎn)(gōngzhuàn)13°38

，地球自轉(zhuǎn)373°38

；這13°38

的差值是月球公轉(zhuǎn)造成的，使太陰日比恒星日長約54分。

恒星日與太陰(tàiyīn)日比較共八十三頁2）真（視）太陽日長度的周年(zhōunián)變化真太陽日和平太陽日真太陽日：真太陽連續(xù)兩次在同地中天時間間隔平太陽日：真太陽日的全年平均值（1）真太陽日長短季節(jié)變化的原因

——太陽每日赤經(jīng)差因季節(jié)而變化①黃赤交角；②橢圓軌道。規(guī)律(guīlǜ)共八十三頁黃赤交角——主要原因同樣的黃經(jīng)差造成不同的赤經(jīng)差:第二赤道坐標系與黃道坐標系有共同原點（春分點），但因基圈不同，黃經(jīng)不同于赤經(jīng)；冬夏二至（黃赤二道(èrdào)平行）赤經(jīng)差最大，視太陽日最長；春秋二分（二道交角最大）赤經(jīng)差最小，視太陽日最短。共八十三頁共八十三頁共八十三頁橢圓軌道——次要原因(yuányīn)

日地距離的變化——地球公轉(zhuǎn)速度的不等——太陽每日黃經(jīng)差本身的變化。近日點變化最快，視太陽日較長；遠日點變化最慢，視太陽日較短。共八十三頁（2）真太陽日長短季節(jié)變化的規(guī)律黃赤交角——二至點附近最長，二分點附近最短；±21秒橢圓軌道(guǐdào)——冬至點附近略長于夏至點；±8秒

——二分點附近太陽日較短，其中秋分附近最短；二至點附近太陽日較長，其中冬至附近最長。共八十三頁圖視太陽日長度的周年變化

點線為長度因黃赤交角而發(fā)生的變化；虛線為視太陽日長度因日地距離而發(fā)生的變化；實線表示(biǎoshì)二者的疊加。主極大在冬至后，次極大在夏至前；主極小在秋分前，次極小在春分后。共八十三頁3、地球(dìqiú)自轉(zhuǎn)速度1）角速度：15

/h2）線速度：V0＝2

R/T=465m/sV

V0

cos

V0為赤道上的線速度V

為緯度

上的線速度

T(s)：地球自轉(zhuǎn)周期

R(m)：地球赤道半徑共八十三頁三、地球自轉(zhuǎn)(zìzhuàn)的后果1、天體的周日視運動

1）天體的周日視運動的一般規(guī)律(guīlǜ)

2）不同緯度天體的周日運動

3）幾種特殊位置的分析2、水平運動方向的偏轉(zhuǎn)共八十三頁

三、地球自轉(zhuǎn)(zìzhuàn)的后果1、天體(tiāntǐ)的周日視運動共八十三頁1、天體的周日(zhōurì)視運動1）原因：地球自轉(zhuǎn)(zìzhuàn)的反映

共八十三頁2）天體的周日視運動的一般規(guī)律天體周日運動的旋轉(zhuǎn)軸——天軸；（1）路線（周日圈）：各自所在的赤緯圈，均以天極為不動的中心(zhōngxīn)（2）方向：地球自轉(zhuǎn)方向的反映——自東向西（3）周期：地球自轉(zhuǎn)周期的反映——恒星周日運動的周期為恒星日；太陽周日運動的周期為太陽日。共八十三頁

周日運動的方向——

與地球自轉(zhuǎn)(zìzhuàn)方向相反

周日圈——

與天赤道(chìdào)平行，即赤緯圈2）不同緯度天體的周日運動①在北極

地平圈

天赤道——

仰極的高度=當?shù)氐牡乩砭暥忍祉斕斓滋斐嗟捞毂睒O天南極共八十三頁

2）不同緯度天體的周日運動恒顯星、恒隱星和出沒(chūmò)星恒顯星：周日圈全部位于地平以上的恒星，永不落入地平；恒隱星：周日圈全部位于地平以下的恒星，永不升起；出沒星：周日圈與地平圈相交的恒星，有東升西落。共八十三頁②在赤道地平圈天赤道：仰極高度周日圈：與天赤道平行(píngxíng)周日運動的方向：與地球自轉(zhuǎn)方向相反，只有出沒星③在北半球中緯度地區(qū)共八十三頁不同(bùtónɡ)緯度的天球周日運動北極（左）：只有恒顯星和恒隱星，而無出沒星；周日圈平行于地平圈。赤道（中）：只有出沒星，而無恒顯星和恒隱星；周日圈垂直于地平圈。北半球中緯度（右）：南北(nánběi)天極周圍有恒顯星和恒隱星，天赤道南北(nánběi)是出沒星。北天恒星在地平以上的時間較長，南天恒星反之；周日圈斜交于地平圈。共八十三頁恒顯星區(qū)：恒顯星在天球上的赤緯范圍恒顯圈：恒顯星區(qū)的界線，即在北點與地平圈相切的赤緯圈。緯度越高，恒顯（隱）星區(qū)愈大，出沒星區(qū)愈?。褐苋?zhōurì)圈與地平的交角愈??；緯度越低，恒顯（隱）區(qū)愈小，出沒區(qū)愈大：周日圈與地平的交角愈大。恒顯（隱）圈的仰（俯）極距：

出沒星區(qū)寬度：2(90

－

周日圈與地平交角：90

圖共八十三頁共八十三頁3）幾種(jǐzhǒnɡ)特殊位置的分析天體的中天天子午圈（子圈、午圈）----時圈----地平經(jīng)圈中天：天體通過子午圈。上中天、下中天天體中天時的天頂距（圖）以太陽為例討論天體的出沒天體出沒時的時角和方位角（圖）共八十三頁NSQQ′天體(tiāntǐ)在天頂以南：Z=φ-δ天體在天頂以北：Z=δ-φ共八十三頁ZZ′NSQQ′PP′共八十三頁2、水平(shuǐpíng)運動偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)方向：北半球偏右，南半球偏左科里奧利力（地轉(zhuǎn)偏向力）

F

V

m·sin

科里奧利力只改變運動方向，不改變速度大小影響地球大氣環(huán)流，對形成行星風帶、天氣系統(tǒng)和洋流有重要作用共八十三頁§3.2地球(dìqiú)的公轉(zhuǎn)共八十三頁§3.2地球(dìqiú)的公轉(zhuǎn)一、地球公轉(zhuǎn)及其證明

地球環(huán)繞太陽的繞轉(zhuǎn)運動叫做(jiàozuò)地球的公轉(zhuǎn)運動。(太陽和地球共同質(zhì)量中心；不及其他行星的存在，相互繞轉(zhuǎn)。)1、恒星的視差位移1）恒星的視差位移現(xiàn)象

在地球上觀察近距離的恒星時，由于地球的公轉(zhuǎn)運動導(dǎo)致該恒星相對于天球背景發(fā)生視位移的現(xiàn)象。2）恒星的周年視差

當日地連線垂直星地連線時，視差位移達最大值（每年2次），為該恒星的周年視差。共八十三頁

橢圓的偏心率因黃緯而不同：在黃極是正圓，在黃道是一直線(zhíxiàn)，其余都是橢圓。不論偏心率大小如何，圓的半徑，橢圓的半長軸和直線(zhíxiàn)的一半，都是恒星年視差。共八十三頁恒星愈遠，其年視差愈小（圖）恒星年視差的角秒值，與恒星距離的秒差距互為倒數(shù)：

D

1837年，德國天文學家貝塞爾率先測出天鵝座61的恒星周年視差值為0.314

（現(xiàn)代(xiàndài)測定值為0.30），次年12月便向世人宣布了他的測量結(jié)果，從而證實了地球的公轉(zhuǎn)運動。共八十三頁

恒星愈遠，其年視差愈小。若年視差以角秒為單位，距離以秒差距(chājù)為單位，則二者互為倒數(shù)。共八十三頁2、恒星的光行差位移1）恒星的光行差地球上所看到的星光的視方向與真方向之間存在著一定(yīdìng)的偏離，這就是恒星的光行差（aberration）位移。共八十三頁

雨中奔跑的行人，跑得愈快，雨傘愈應(yīng)向前方傾斜。地球的軌道速度(sùdù)：

=30km/s

星光速度：V=300000km/s

則：tan

=

/V

當

很小時，可用

角的弧度值代替其正切值，有

=

/V＝30/300000=0.0000994（弧度）化為角秒得：

=0.000994×206265＝20.47

該值為光行差常數(shù)。光行差示意圖

V共八十三頁2）恒星的周年視差和光行差比較恒星光行差的大小與恒星距離無關(guān)；而恒星周年視差的大小取決于的遠近；恒星的視差位移與光行差位移的方向不同。3、地球公轉(zhuǎn)(gōngzhuàn)中的多普勒效應(yīng)地球軌道速度對星光頻率的影響。共八十三頁圖周年視差（左）和光行差（右）的比較恒星年視差位置的偏離(piānlí)方向，二者有90

之差。共八十三頁二、地球(dìqiú)公轉(zhuǎn)的規(guī)律性1、地球軌道1）軌道形狀：橢圓軌道半長軸（a）：149600000km；軌道半短軸（b）：149580000km；半焦距（c）：2500000km；周長（l）：940000000km；偏心率（e）：0.0167；扁率（f）：

7000。共八十三頁太陽在軌道(guǐdào)中的位置：兩焦點之一近日點（1月初經(jīng)過）：147100000km；遠日點（7月初經(jīng)過）：152100000km。圖地球(dìqiú)的近日點和遠日點共八十三頁圖地球與地球共轉(zhuǎn)軌道(guǐdào)面的交角6634′共八十三頁圖地球(dìqiú)的軌道面2）黃赤交角(jiāojiǎo)

地軸進動的成因之一；視太陽日長度周年變化的主要原因；地球上四季變化和五帶區(qū)分的根本原因。共八十三頁2、地球公轉(zhuǎn)周期(zhōuqī)恒星年：以恒星為參考點，無明顯自行，365.2564日回歸年：以春分點為參考點，每年西移50

，小于恒星年，365.2422日近點年：以近日點為參考點，每年東移11

，大于恒星年，365.2596日交點年（食年）：黃白交點為參考點，每年西移20°，小于恒星年，346.6200日共八十三頁3、地球公轉(zhuǎn)(gōngzhuàn)速度角速度：平均每日59

（因距離而變化）線速度：平均每秒30km（因距離而變化）面速度：不變（開普勒第二定律）共八十三頁1、恒星周年(zhōunián)視差2、太陽周年運動3、行星同太陽的會合運動4、月球同太陽的會合運動三、地球公轉(zhuǎn)(gōngzhuàn)后果共八十三頁1）太陽的周年運動（1）原因(yuányīn)地球公轉(zhuǎn)的后果；與恒星的周年視差（2）表現(xiàn)路線——黃道太陽在黃道上的位置——地球的軌道位置方向——自西向東周期——1年2）二十四節(jié)氣和黃道十二宮2、太陽的周年(zhōunián)視運動圖共八十三頁共八十三頁2）二十四節(jié)氣和黃道(huángdào)十二宮

為了表示太陽周年運動中到達的黃道位置，我國傳統(tǒng)歷法按太陽黃經(jīng)，把黃道等分為24弧段，全年相應(yīng)地分為24時段，叫做二十四氣。各氣的弧段相等，每氣合黃經(jīng)15°；由于太陽周年運動速度的變化，每氣的時段長短不齊，平均為15.2184日。為了同樣的目的，西方天文學按太陽黃經(jīng)，把黃道等分為十二(shíèr)宮，分別以黃道十二(shíèr)座命名；每宮跨黃經(jīng)30°，相當于我國的二個節(jié)氣。二十四氣和十二宮的劃分，都以春分點為起點。

共八十三頁共八十三頁

節(jié)氣歌春雨驚春清谷天，夏滿芒夏暑相連(xiānɡlián)，秋處露秋寒霜降，冬雪雪冬小大寒。上半年是五廿一，下半年是七廿三，每月兩節(jié)日期定，最多相差一兩天。共八十三頁立春

theBeginningofSpring雨水

RainWater驚蟄(jīngzhé)

theWakingofInsects春分

theSpringEquinox清明

PureBrightness谷雨

GrainRain立夏

theBeginningofSummer小滿

LesserFullnessofGrain芒種

GraininBeard夏至

theSummerSolstice小暑

LesserHeat大暑

GreaterHeat立秋

theBeginningofAutumn處暑(chǔshǔ)

theEndofHeat白露

WhiteDew秋分

theAutumnEquinox寒露

ColdDew霜降

Frost\'sDescent立冬

theBeginningofWinter小雪

LesserSnow大雪

GreaterSnow冬至

theWinterSolstice小寒

LesserCold大寒

GreaterCold共八十三頁3、行星同太陽(tàiyáng)的會合運動1）行星相對于太陽的視運動（1）地內(nèi)行星相對于太陽的視運動（2）地外行星行對于太陽的視運動（3）行星的會合周期2）行星相對于恒星的視運動（1）行星逆行的解釋（2）行星留的解釋2）相對(xiāngduì)于恒星共八十三頁1）行星相對(xiāngduì)于太陽的視運動（1）地內(nèi)行星相對于太陽的視運動上合——東大距——下合——西大距——上合出沒(chūmò)：上合——不可見；東大距——可見時間最長；下合——不可見；昏星西大距——可見時間最長；上合——不可見；晨星水星：18～28°金星：45～48°東有“啟明”，西有“長庚”上合東大距下合西大距共八十三頁上合東大距下合西大距上合共八十三頁（2）地外行星相對(xiāngduì)于太陽的視運動合——西方(xīfāng)照——沖——東方照——合出沒：合——不可見；西方照——午夜升起；沖——整夜可見；東方照——午夜落下；合——不可見；太陽西側(cè)太陽東側(cè)共八十三頁合西方(xīfāng)照沖東方(Dōngfāng)照合12345共八十三頁（3）行星的會合(huìhé)周期定義行星的會合周期：行星相對于太陽的視運動是一種周期運動，這個周期就是行星的會合周期。地內(nèi)（外）行星的會合周期：行星連續(xù)兩次上合或下合（沖或合）的時間間隔。計算公式設(shè)E、P分別表示地球和行星的周期，S為會合周期。對于地內(nèi)行星有：360

S

=360+

360

S

=

代入(1)，消去

，整理后，得：

1/S=1/P-1/E

同理，地外行星則有：

1/S=1/E-1/P周期相差(xiānɡchà)愈大，會合周期愈短；反之，則愈長。共八十三頁

當行星位于P1，地球位于E1，是該行星第一次合日。地內(nèi)行星的角速度遠大于地球公轉(zhuǎn)的角速度，當行星完成公轉(zhuǎn)一周(yīzhōu)又繼續(xù)運行到P2時，地球僅從E1公轉(zhuǎn)到E2。這時，發(fā)生該行星的第二次合日。共八十三頁2）行星(xíngxīng)相對于恒星的視運動

在通常情況下，行星在