第三章地球运动(2012级用).

第一章地理坐标和天球坐标第二章地球的宇宙环境第三章地球的运动§3.1地球的自转一、地球自转的证明和发现二、地球自转的规律三、地球自转的后果§3.2地球的公转一、地球的公转及其证明二、地球公转的规律三、地球公转的后果§3.2§3.1地球的自转一、地球自转及其证明1、地球自转地球自转就是地球本身的旋转地轴2、地球自转的证明1）落体东偏AA'BB'CghS32cos2、地球自转的证明2）傅科摆1851年，让·傅科（JeanFoucault）在巴黎国葬院（法兰西共和国的先贤祠）的大厅里，进行了一项有趣的实验——傅科摆实验。傅科摆的设计原理：牛顿第一定律（1）摆不受外力作用（2）超然于地球自转摆锤——28kg摆长——67m摆的悬挂——摆动超然于地球自转傅科摆偏转现象的解释摆动平面的偏转角速度PAAA小时＝/15sindtdOAAAsinPAOAsinttsinsindtddtd二、地球自转的规律1、地球自转的方向2、地球自转的周期3、地球自转的速度1、地球自转的方向1）地球自转的方向地轴：有方向的射线右手法则：北极上空，逆时针方向；南极上空，顺时针方向地球自转的方向：地球的东西方向；天球上的东西方向2）地轴的空间位置（1）地轴与地球本体的相互配置问题——极移（2）地轴空间指向的变化——地轴进动（1）极移定义地轴在地球内部的位置变化原因地球内部物质的运动和变化范围15×15m2或±0.5后果地理坐标的变化（2）地轴进动天极在天球上位置的变化（极移与进动）方向、周期、轨迹（图）原因（图）表现（图）极移是地极的移动，不涉及天极在天球上位置的变化；进动造成天极的移动，不涉及地极在地面上的位置的变化。极移与进动的比较地轴进动的方向、周期、轨迹方向：向西（与地球自转和公转方向相反）周期：25800年速度：50/年轨迹：圆锥面圆锥轴垂直于轨道平面，指向黄极；圆锥半径23（黄赤交角）。左图：陀螺的进动（向东）右图：地球的进动（向西）地轴进动的原因地球形状黄赤交角地球自转图力矩M1M2，合力矩使地轴趋近黄轴地轴进动的表现天极周期性运动，北极星变迁；赤道面（和天赤道）的系统的变化，二分点沿黄道西移（交点退行）；岁差天球坐标的变化（赤经、赤纬；黄经）图北极星随天北极移动而变迁图二分二至点因地轴进动而在黄道上不断西移（虚线表示旧天赤道，实线表示新天赤道）2、地球自转的周期1）三种周期的定义及关系2）真太阳日长度的周年变化（1）原因；（2）规律名称参考点影响因素转过角度长度恒星日恒星地球自转360º23小时56分太阳日太阳地球自转地球公转360º5924小时太阴日月球地球自转月球公转373º3824小时50分2、地球自转的周期1）三种周期的定义（1）恒星日同一恒星连续两次在同地中天的时间，地球自转的真正周期（有细微差别），23小时56分天文学以春分点定义恒星日；恒星日是同恒星时（春分点的时角）相联系的。（2）太阳日太阳连续两次在同地中天时间，24小时00分恒星日和太阳日的比较（3）太阴日月球连续两次在同地中天时间，24小时50分恒星日与太阴日的比较在一个恒星日内，地球自转360°；在一个太阳日内，地球公转59，自转360°59。太阳日比恒星日约长4分。恒星日与太阳日比较在一个恒星日内，地球自转360°；在一个太阴日内，月球公转13°38，地球自转373°38；这13°38的差值是月球公转造成的，使太阴日比恒星日长约54分。恒星日与太阴日比较2）真（视）太阳日长度的周年变化真太阳日和平太阳日真太阳日：真太阳连续两次在同地中天时间间隔平太阳日：真太阳日的全年平均值（1）真太阳日长短季节变化的原因——太阳每日赤经差因季节而变化①黄赤交角；②椭圆轨道。规律黄赤交角——主要原因同样的黄经差造成不同的赤经差:第二赤道坐标系与黄道坐标系有共同原点（春分点），但因基圈不同，黄经不同于赤经；冬夏二至（黄赤二道平行）赤经差最大，视太阳日最长；春秋二分（二道交角最大）赤经差最小，视太阳日最短。椭圆轨道——次要原因日地距离的变化——地球公转速度的不等——太阳每日黄经差本身的变化。近日点变化最快，视太阳日较长；远日点变化最慢，视太阳日较短。（2）真太阳日长短季节变化的规律黄赤交角——二至点附近最长，二分点附近最短；±21秒椭圆轨道——冬至点附近略长于夏至点；±8秒——二分点附近太阳日较短，其中秋分附近最短；二至点附近太阳日较长，其中冬至附近最长。图视太阳日长度的周年变化点线为长度因黄赤交角而发生的变化；虚线为视太阳日长度因日地距离而发生的变化；实线表示二者的叠加。主极大在冬至后，次极大在夏至前；主极小在秋分前，次极小在春分后。3、地球自转速度1）角速度：15/h2）线速度：V0＝2R/T=465m/sVV0cosV0为赤道上的线速度V为纬度上的线速度T(s)：地球自转周期R(m)：地球赤道半径三、地球自转的后果1、天体的周日视运动1）天体的周日视运动的一般规律2）不同纬度天体的周日运动3）几种特殊位置的分析2、水平运动方向的偏转三、地球自转的后果1、天体的周日视运动1、天体的周日视运动1）原因：地球自转的反映2）天体的周日视运动的一般规律天体周日运动的旋转轴——天轴；（1）路线（周日圈）：各自所在的赤纬圈，均以天极为不动的中心（2）方向：地球自转方向的反映——自东向西（3）周期：地球自转周期的反映——恒星周日运动的周期为恒星日；太阳周日运动的周期为太阳日。周日运动的方向——与地球自转方向相反周日圈——与天赤道平行，即赤纬圈2）不同纬度天体的周日运动①在北极地平圈天赤道——仰极的高度=当地的地理纬度天顶天底天赤道天北极天南极2）不同纬度天体的周日运动恒显星、恒隐星和出没星恒显星：周日圈全部位于地平以上的恒星，永不落入地平；恒隐星：周日圈全部位于地平以下的恒星，永不升起；出没星：周日圈与地平圈相交的恒星，有东升西落。②在赤道地平圈天赤道：仰极高度周日圈：与天赤道平行周日运动的方向：与地球自转方向相反，只有出没星③在北半球中纬度地区不同纬度的天球周日运动北极（左）：只有恒显星和恒隐星，而无出没星；周日圈平行于地平圈。赤道（中）：只有出没星，而无恒显星和恒隐星；周日圈垂直于地平圈。北半球中纬度（右）：南北天极周围有恒显星和恒隐星，天赤道南北是出没星。北天恒星在地平以上的时间较长，南天恒星反之；周日圈斜交于地平圈。恒显星区：恒显星在天球上的赤纬范围恒显圈：恒显星区的界线，即在北点与地平圈相切的赤纬圈。•纬度越高，恒显（隐）星区愈大，出没星区愈小：周日圈与地平的交角愈小；•纬度越低，恒显（隐）区愈小，出没区愈大：周日圈与地平的交角愈大。•恒显（隐）圈的仰（俯）极距：•出没星区宽度：2(90－•周日圈与地平交角：90图3）几种特殊位置的分析天体的中天天子午圈（子圈、午圈）----时圈----地平经圈中天：天体通过子午圈。上中天、下中天天体中天时的天顶距（图）以太阳为例讨论天体的出没天体出没时的时角和方位角（图）tgtgtcoscos/sincosANSQQ′天体在天顶以南：Z=φ-δ天体在天顶以北：Z=δ-φZZ′NSQQ′PP′90PX90PZ90XZAPZX180tZPX2、水平运动偏转偏转方向：北半球偏右，南半球偏左科里奥利力（地转偏向力）FVm·sin科里奥利力只改变运动方向，不改变速度大小影响地球大气环流，对形成行星风带、天气系统和洋流有重要作用§3.2地球的公转§3.2地球的公转一、地球公转及其证明地球环绕太阳的绕转运动叫做地球的公转运动。(太阳和地球共同质量中心；不及其他行星的存在，相互绕转。)1、恒星的视差位移1）恒星的视差位移现象在地球上观察近距离的恒星时，由于地球的公转运动导致该恒星相对于天球背景发生视位移的现象。2）恒星的周年视差当日地连线垂直星地连线时，视差位移达最大值（每年2次），为该恒星的周年视差。椭圆的偏心率因黄纬而不同：在黄极是正圆，在黄道是一直线，其余都是椭圆。不论偏心率大小如何，圆的半径，椭圆的半长轴和直线的一半，都是恒星年视差。恒星愈远，其年视差愈小（图）恒星年视差的角秒值，与恒星距离的秒差距互为倒数：D1837年，德国天文学家贝塞尔率先测出天鹅座61的恒星周年视差值为0.314（现代测定值为0.30），次年12月便向世人宣布了他的测量结果，从而证实了地球的公转运动。恒星愈远，其年视差愈小。若年视差以角秒为单位，距离以秒差距为单位，则二者互为倒数。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视方向与真方向之间存在着一定的偏离，这就是恒星的光行差（aberration）位移。•雨中奔跑的行人，跑得愈快，雨伞愈应向前方倾斜。•地球的轨道速度：=30km/s星光速度：V=300000km/s则：tan=/V当很小时，可用角的弧度值代替其正切值，有=/V＝30/300000=0.0000994（弧度）化为角秒得：=0.000994×206265＝20.47该值为光行差常数。光行差示意图V2）恒星的周年视差和光行差比较恒星光行差的大小与恒星距离无关；而恒星周年视差的大小取决于的远近；恒星的视差位移与光行差位移的方向不同。3、地球公转中的多普勒效应地球轨道速度对星光频率的影响。图周年视差（左）和光行差（右）的比较恒星年视差位置的偏离方向，二者有90之差。二、地球公转的规律性1、地球轨道1）轨道形状：椭圆轨道半长轴（a）：149600000km；轨道半短轴（b）：149580000km；半焦距（c）：2500000km；周长（l）：940000000km；偏心率（e）：0.0167；扁率（f）：7000。太阳在轨道中的位置：两焦点之一近日点（1月初经过）：147100000km；远日点（7月初经过）：152100000km。图地球的近日点和远日点图地球与地球共转轨道面的交角6634′图地球的轨道面2）黄赤交角地轴进动的成因之一；视太阳日长度周年变化的主要原因；地球上四季变化和五带区分的根本原因。2、地球公转周期恒星年：以恒星为参考点，无明显自行，365.2564日回归年：以春分点为参考点，每年西移50，小于恒星年，365.2422日近点年：以近日点为参考点，每年东移11，大于恒星年，365.2596日交点年（食年）：黄白交点为参考点，每年西移20°，小于恒星年，346.6200日3、地球公转速度角速度：平均每日59（因距离而变化）线速度：平均每秒30km（因距离而变化）面速度：不变（开普勒第二定律）1、恒星周年视差2、太阳周年运动3、行星同太阳的会合运动4、月球同太阳的会合运动三、地球公转后果1）太阳的周年运动（1）原因地球公转的后果；与恒星的周年视差（2）表现路线——黄道太阳在黄道上的位置——地球的轨道位置方向——自西向东周期——1年2）二十四节气和黄道十二宫2、太阳的周年视运动图2）二十四节气和黄道十二宫为了表示太阳周年运动中到达的黄道位置，我国传统历法按太阳黄经，把黄道等分为24弧段，全年相应地分为24时段，叫做二十四气。各气的弧段相等，每气合黄经15°；由于太阳周年运动速度的变化，每气的时段长短不齐，平均为15.2184日。为了同样的目的，西方天文学按太阳黄经，把黄道等分为十二宫，分别以黄道十二座命名；每宫跨黄经30°，相当于我国的二个节气。二十四气和十二宫的划分，都以春分点为起点。节气歌春雨惊春清谷天，夏满芒夏暑相连，秋处露秋寒霜降，冬雪雪冬小大寒。上半年是五廿一，下半年是七廿三，每月两节日期定，最多相差一两天。立春theBeginningofSpring雨水RainWater惊蛰theWakingofInsects春分theSpringEquinox清明PureBrightness谷