天文学基础校本教材

天文学基础校本教材杭师大附中地理组编2012年9月序言当夜幕降临，仰望天空，看到繁星点点，你会不会有一种美不可言的感觉？应该会有的，何况如今更是难得看到那样一幅美妙的场景了。记得自己小时候，也曾经像祖冲之那样数着星星，幻想着有朝一日让后人的语文课本中那个数星星的孩子变成自己。如今，我知道这个天真的愿望、是不可能实现的，可是那调皮的星星却经常眨巴着眼睛告诉我们，世界到处充满了美好！宇宙神秘却不失美丽，“在木星上看木星的卫星当是一幅十分美妙的景象，众多的卫星不仅大小不一，尤为惹人注目的是一些卫星围绕木星自西向东旋转，另外一些卫星却是反其道而行之。土星是太阳系中最漂亮、最具美丽的大行星，动人之处很多，如它那光彩亮丽的光环、令人眼花缭乱的３１颗卫星、比水还轻的密度，它那时有风暴出现的大气层、与地球相似的磁场和极光现象。”单单想象一下，就能够让眼前出现一幅美妙的图画。星星还给人一种浪漫的感觉，让人如痴如醉。就这样，研究宇宙的天文学便出现了。人们学习天文学、研究天文，总可以用一种浪漫的感觉去描述它，而不失其真实性和科学性，并推动了人类文明的进步。天文学是六大基础科学之一，对人的素质提高和世界观的形成具有重要的意义。在国外，天文学课程的开设非常普及。而在我国，基础天文教育比较落后，观测基础设施也不完善，这与我国“科教兴国”的教育方针也不相符。长久以来，中国的教育重知识、轻能力。人们发现现有的教育不符合时代的发展。于是，教育改革孕育而生。新课程要求教育激发学生的求知欲，培养学生独立思考、团体合作的精神。目前，虽然在中小学课本中有零星的天文知识介绍，但远远不能满足青少年的求知欲望和普及天文知识的需要。同时，21世纪是人类走向太空的世纪，要紧跟世界科技发展的潮流，我们就必须大力普及天文学。中国未来的希望在青少年，因此，天文学课程的开发显得极为迫切。本教材围绕星空观测，介绍望远镜、天体摄影等一系列的知识；并通过实地观测，巩固所需内容，同时培养学生团体合作、自主探究的能力。目录第一章绪论§1天文学研究的对象和内容§2天文学的发展史§3天文学和人类社会第二章星空区划与四季星空§1星空区划§2四季星空§3星空图的判读第三章天球坐标§1天球§2地平坐标系§3时角坐标系§4赤道坐标系§5黄道坐标系第四章天文现象§1日偏食§2水星凌日§3九星连珠§4五星连珠§5双星半月§6金星凌日第五章光学望远镜§1光学望远镜的分类§2光学望远镜的参数指标§3目镜简介第六章天文观测§1观测场地的选择§2天文观测中的注意事项§3望远镜的使用§4望远镜的保养第七章天文摄影§1固定摄影§2直焦摄影§3目镜放大摄影§4进阶天文摄影第一章绪论康德曾说过：“世界上有两件的东西能够深深地震撼人们的心灵，一件是我们心中崇高的道德准则，另一件是我们头顶上灿烂的星空。”德国哲学家黑格尔也曾说过，“一个民族只有有一些关注天空的人，这个民族才有希望。”温家宝总理也写过《仰望星空》来教导中国青年去关注科学。这些都足以证明“星空”的重要性，而天文学就是研究这个星空的。我们跟多人都很喜欢天文学，因为它呈献给大家一个充满奇幻色彩的宇宙。从浩瀚的宇宙到微小的宇宙粒子，从美丽的星系到神秘的外星人，这些都给人思维的碰撞，心灵的震撼以及无尽的想象。下面我就从天文学的基础知识作一个简单的介绍：天文学研究的对象和内容天文学所研究的对象涉及宇宙空间的各种星星和物体，大到月球、太阳、行星、恒星、银河系、河外星系以至整个宇宙，小到小行星、流星体以至分布在广袤宇宙空间中的大大小小尘埃粒子。天文学家把所有这些星星和物体统称为天体。人造卫星、宇宙飞船、空间站等人造飞行器的运动性质也属于天文学的研究范围，可以称之为人造天体。我们可以把宇宙中的天体由近及远分类为几个层次：(1)太阳系天体：包括太阳、行星（其中包括地球）、行星的卫星（其中包括月球）、小行星、彗星、流星体及行星际介质等。(2)银河系中的各类恒星和恒星集团：包括变星、双星、聚星、星团、星云和星际介质。太阳是银河系中的一颗普通恒星。(3)河外星系，简称星系，指位于我们银河系之外、与我们银河系相似的庞大的恒星系统，以及由星系组成的更大的天体集团，如双星系、多重星系、星系团、超星系团等。此外还有分布在星系与星系之间的星系际介质。天文学按照研究的内容可分为天体测量学、天体力学和天体物理学三门分支学科。天体测量学是天文学中发展最早的一个分支，它的主要内容是研究和测定各类天体的位置和运动，建立天球参考系等。天体力学主要研究天体的相互作用、运动和形状，其中运动应包括天体的自转。天体物理是天文学中最年轻的一门分支学科，它应用物理学的技术、方法和理论，来研究各类天体的形态、结构、分布、化学组成、物理状态和性质以及它们的演化规律。天文学发展简史天文学的起源可以追溯到人类文化的萌芽时代。远古时候，人们为了指示方向，确定时间和季节，就自然会观察太阳、月亮和星星在天空中的位置，找出它的随时间变化的规律。从这一点上来说，天文学是最古老的自然科学学科之一。从十六世纪中哥白尼提出日心体系学说开始，天文学的发展进入了全新的阶段。在这之前，包括天文学在内的自然科学，受到宗教神学的严重束缚。哥白尼的学说使天文学摆脱宗教的束缚。十八、十九世纪，经典天体力学达到了鼎盛时期。同时，由于分光学、光度学和照相术的广泛应用，天文学开始朝着深入研究天体的物理结构和物理过程发展，诞生了天体物理学。二十世纪现代物理学和技术高度发展，并在天文学观测研究中找到了广阔的用武之地，使天体物理学成为天文学中的主流学科，同时促使经典的天体力学和天体测量学也有了新的发展，人们对宇宙及宇宙中各类天体和天文现象的认识达到了前所未有的深度和广度。天文学就本质上说是一门观测科学。天文学上的一切发现和研究成果，离不开天文观测工具——望远镜。1608年，荷兰人李波尔赛发明望远镜，1609年伽里略制成第一架天文望远镜，从此天文学跨入了用望远镜观测、研究天象的新时代。在此后的近400年中，人们对望远镜的性能不断加以改进，并且越做越大。1932年美国人央斯基用他的旋转天线阵观测到了来自天体的射电波，开创了射电天文学。1937年诞生第一台抛物反射面射电望远镜。射电天文观测技术为天文学的发展作出了重要的贡献。二十世纪后50年中，随着探测器和空间技术的发展以及研究工作的深入，天文观测进一步从可见光、射电波段扩展到包括红外、紫外、X射线和γ射线在内的电磁波各个波段，形成了多波段天文学，并为探索各类天体和天文现象的物理本质提供了强有力的观测手段，天文学发展到了一个全新的阶段。天文学和人类社会可能有人会问，既然天文学的研究对象是星星、太阳、月亮，那么天文学和我们地球上人类的生活、工作又有什么关系呢？其实，作为一门基础研究学科，目前天文学学科研究的许多内容，在短时间内与我们人类似乎关系不大。但是，天文学家的工作在不少方面又是同人类社会密切相关的。人类的生活和工作离不开时间，而昼夜交替、四季变化的严格规律须由天文方法来确定，这就是时间和历法的问题。如果没有全世界统一的标准时间系统，没有完善的历法，人类的各种社会活动将无法有序进行，一切都会处在混乱状态之中。人类已经进入空间时代。发射各种人造地球卫星、月球探测器或行星探测器，除了技术保证外，这些飞行器要按预定目标发射并取得成功，离不开它们运动轨道的计算和严格的时间表安排，而这些恰恰正是天文学在发挥着不可替代的作用。太阳是离我们最近的一颗恒星，它的光和热在几十亿年时间内哺育了地球上万物的成长，其中包括人类。太阳一旦发生剧烈活动，对地球上的气候、无线电通讯、宇航员的生活和工作等将会产生重大影响，天文学家责无旁贷地承担着对太阳活动的监测、预报工作。不仅如此，地球上发生的一些重大自然灾害，天文学家也在为之努力工作，并为防灾、减灾做出自己的贡献。特殊天象的出现，比如日食、月食、流星雨等，现代天文学已可以作出预报，有的已可以作长期准确的预报。1999年我国漠河地区发生一次日全食，中央电视台为之作了2小时40分钟的观测实况转播，而严格安排转播时间表的关键就是天文学家对日食的准确预报。1994年彗星撞击木星引起世人的严重关注，彗星会不会在某一天撞上地球而导致全球性灾难呢？天文学家正在密切关注这类事件发生的可能，并将会及早作出预报，和提出相应的对策措施，地球上的人们完全不必为此担心。以上就是天文学的一些基本知识，从这些知识中我们能够更清楚地了解到天文学的伟大。这就是天文学，一个神奇、美丽、使人震撼的学科。天文学的魅力就在于它的广阔，奇妙、变化多样以及太多的未知性。写完这篇文章后不禁被科学的奇妙而感动，爱上科学，爱上天文学。让我们怀着好奇的心去探索天文学的世界吧。第二章星空区划与四季星空在历史发展过程中，人们把宇宙中的天体划分成88个星座做春季星空的主要星座有:大熊座、小熊座、狮子座、牧夫座、猎犬座、室女座、乌鸦座、长蛇座。见图2-1。在天顶略偏东北的方向，可以看到北斗七星，斗口两颗星的连线，指向北极星．而此时的斗柄，正指向东，所以有云：斗柄东指，天下皆春．斗柄北指，天下皆夏．斗柄西指天下皆秋．斗柄南指，天下皆冬。而顺着斗柄的指向，可以找到一颗亮星，即牧夫座的大角．然后到达室女座的主星角宿一．在大熊座的附近，可以找到一个叫做猎犬座的小星座，其中有一个漩涡星云，即M51,是有名的河外星系。室女座被奉为主管农业的神，从它的主星角宿一略向西南，是由四颗星组成的乌鸦座乌鸦座的下面是长蛇座的尾部．长蛇座从东向西，横跨半个多天空，是全天最大的星座之一。长蛇头部的东北，是著名的狮子座．它是春夜星空最辉煌的中心．狮子星座的主星，中名轩辕十四，是处于黄道上的一颗一等星。图2-1春季星空图夏季是看星的好时节，天黑以后向西看，就找到狮子星座．狮子座东面是室女座．在天空南方，比较低的星空闪耀着一颗红色的亮星，它是天蝎座的主星心宿二，也是一颗处在黄道上的亮星．天蝎座的明显特征是有三颗星等距成弧摆开，心宿二恰在圆心．在我国古代天文学中，天蝎属商星，猎户属参星．刚好一升一落，永不相见，于是有诗人说：＂人生不相见，动如参与商．＂天蝎座东面，就是人马座，人马座的东半部分，有六颗星，被称为南斗。在天蝎与人马一带的星空，有一条白茫茫的光带，那就是银河了．顺着银河向东北找，可以看到紧靠着一个四边形的织女星和带着左右两颗小星的牛郎星．而与着这两颗亮星组成一个三角形的一颗亮星，就是天津四，它和它所属的天鹅座的其它星组成了一个十字，很好辨认。北斗七星此时在西北天，找到牧夫座后，向东，在差不多天顶的位置，有个半圆形的星座，叫做北冕座，就象一个镶满珠宝的皇冠，这里聚集着大量的星系。见图2-2。图2-2夏季星空图秋夜的星空晴朗透明，也是看星的好机会。见图2-3。在西南地平线上，人马座已经斜挂在那儿了．古书上说：＂北斗阑干南斗斜＂就是指这．西方的天空还有牛郎织女在窃窃私语，天津四也在那做电灯泡而南方却只有一颗孤独的亮星北落师门．东北角上升起了两颗亮星：五车二（御夫座主星），毕宿五（金牛座主星）。秋夜星空多的是王公贵族：仙王，仙后，仙女，英仙，飞马，鲸鱼。天顶偏东是飞马座．仙女座就是在飞马座东北的一字形星座．仙女座北面是Ｗ形的仙后座．仙后座西面是仙王座，东面是英仙座。英仙座与仙后座之间是英仙座双重星团．仙女座则有一个著名的大星系：仙女座大星云．这是一个比银河系还大得多的星系，也是北半天中距离我们最近的一个星系。图2-3秋季星空图冬季虽然寒冷，但星空却极其壮丽。见图2-4。猎户座是冬季星空的中心。入夜后，就可看到三颗排列整齐的亮星，民间说＂三星高照＂就是它们了．三星的周围有四颗亮星和三星组成一个长方形，就是猎户座．三星就是猎户的腰带。三星连线想左下方延长，就能遇到全天最亮的恒星：天狼星．它是大犬座的主星．从三星向右上方延长就是红色亮星毕宿五．旁边是五车二。金牛座东南是双子座，在向东是巨蟹座，再往东是狮子的头部了。猎户座的西南是漫长巨大却十分暗淡的波江座．主星水委一，要到广东才依稀看到猎户座正南方是天兔，天鸽座．在往南是船底座的主星老人星。猎户座的三星下方，有一片亮斑，那就是猎户座大星云．