地球概论第三章1(自转)

1、第三章第三章 地球的运动地球的运动 第一节第一节 地球的自转地球的自转第二节第二节 地球的公转地球的公转第一节第一节 地球的自转地球的自转一、地球的自转及其证明一、地球的自转及其证明二、地球自转运动的方向、二、地球自转运动的方向、 周期和速度周期和速度三、地球自转的后果三、地球自转的后果一、地球的自转及其证明一、地球的自转及其证明（一）地球的自转和天体的周日运动（一）地球的自转和天体的周日运动（二）地球自转的证据（二）地球自转的证据1、佛科摆实验、佛科摆实验2、地面重力随纬度的变化和地球的扁缩、地面重力随纬度的变化和地球的扁缩3、地球上运动物体的偏转现象、地球上运动物体的偏转现象一、地球的自转

2、及其证明一、地球的自转及其证明（一）地球的自转和天体的周日运动（一）地球的自转和天体的周日运动地球的自转运动地球的自转运动地球绕着自转轴所作的旋转运动。地球绕着自转轴所作的旋转运动。l每时每刻地球都在不停地作旋转运动，赤道上旋转每时每刻地球都在不停地作旋转运动，赤道上旋转 速度为速度为465米米/秒。秒。l生活在地球上的人感觉不到地球的自转运动，所生活在地球上的人感觉不到地球的自转运动，所 能感觉到的只是日、月、星辰等天体每日的东升能感觉到的只是日、月、星辰等天体每日的东升 西落现象。西落现象。天体的周日运动天体的周日运动在运动的地球上所看到的日、月、在运动的地球上所看到的日、月、 星辰这些天

3、体每日的东升西落星辰这些天体每日的东升西落 现象。现象。（二）地球自转的证据（二）地球自转的证据1、傅科摆实验、傅科摆实验傅科摆实验是傅科摆实验是1851年法国物理学家年法国物理学家 傅科在巴黎所做的一次著名实验，傅科在巴黎所做的一次著名实验， 它为地球的自转提供了最直接而有它为地球的自转提供了最直接而有 力的证据。力的证据。傅科摆傅科摆用来证明地球自用来证明地球自 转运动的自由摆。转运动的自由摆。 具有特殊的悬点结构；具有特殊的悬点结构；特点：特点： 具有较长的摆线和较具有较长的摆线和较 重的摆锤。重的摆锤。傅科摆实验结果傅科摆实验结果傅科摆的摆动平面（摆向）傅科摆的摆动平面（摆向） 按顺时

4、针方向（北半球）慢按顺时针方向（北半球）慢 慢发生了偏转。慢发生了偏转。l北极点上，傅科摆的摆动平面北极点上，傅科摆的摆动平面24小时内（小时内（1恒恒 星日）将自东向西相对地面顺时针转动星日）将自东向西相对地面顺时针转动360， 平均每小时偏转平均每小时偏转15；l南极点上，傅科摆面的转动为逆时针方向；南极点上，傅科摆面的转动为逆时针方向；l赤道上，傅科摆面相对于地面方向不发生变化；赤道上，傅科摆面相对于地面方向不发生变化；l赤道与两极之间，傅科摆的摆动平面偏转的角速赤道与两极之间，傅科摆的摆动平面偏转的角速 度与该地的纬度（度与该地的纬度（）的正弦函数成正比，即：）的正弦函数成正比，即：

5、=15=15sin/sin/小时小时。2、地面重力随纬度变化和地球的扁缩、地面重力随纬度变化和地球的扁缩l如果地球是自转的，那么在惯性离心力如果地球是自转的，那么在惯性离心力 的作用下，地面的重力加速度必然是赤的作用下，地面的重力加速度必然是赤 道最小，两极最大；这样物体在赤道所道最小，两极最大；这样物体在赤道所 受的重力比两极小，地球也不可能是正受的重力比两极小，地球也不可能是正 球体，而必然是扁球体。球体，而必然是扁球体。l实际重力测量和大地弧度测量结果是地实际重力测量和大地弧度测量结果是地 面重力随纬度变化，两极大，赤道小，面重力随纬度变化，两极大，赤道小， 地球是个椭球体。由此从侧面证

6、实了地地球是个椭球体。由此从侧面证实了地 球自转的存在。球自转的存在。3、地球上运动物体的偏转现象、地球上运动物体的偏转现象（1）垂直运动的偏转（自由落体偏转现象）垂直运动的偏转（自由落体偏转现象）现象现象落体偏东（即在地球表面由高处下落的落体偏东（即在地球表面由高处下落的 物体总是偏落在其铅垂线东侧的现象）。物体总是偏落在其铅垂线东侧的现象）。原因原因ABABC西西东东 由于地球的自转，由于地球的自转， 使得地面上同一使得地面上同一 地点的自转线速地点的自转线速 度随高度增加而度随高度增加而 增大所致。增大所致。（2）水平运动的偏转）水平运动的偏转现象现象在地球上作任意方向水平自由运动的在地

7、球上作任意方向水平自由运动的 物体，都会与其最初的运动方向发生物体，都会与其最初的运动方向发生 偏离。若以运动物体前进的方向为准，偏离。若以运动物体前进的方向为准， 北半球向右偏转，南半球向左偏转。北半球向右偏转，南半球向左偏转。 （注：水平运动物体的偏转是对原定（注：水平运动物体的偏转是对原定 目标方向的偏转，而非笼统地对地面目标方向的偏转，而非笼统地对地面 经纬线的偏转。）经纬线的偏转。） 原因原因地球自转偏向力地球自转偏向力l十九世纪初，法国的科学家十九世纪初，法国的科学家科里奥利科里奥利（1792 1843） 提出。他认为地球表面水平运动物提出。他认为地球表面水平运动物 体的偏转是受到

8、一种惯性力的作用，而这个力体的偏转是受到一种惯性力的作用，而这个力 的产生与地球的自转有关，是地球自转的结果的产生与地球的自转有关，是地球自转的结果 （派生出来的）。后人将之称为科里奥利力，（派生出来的）。后人将之称为科里奥利力， 简称简称科氏力科氏力。l科氏力在地球表面的水平分力，引起水平运动科氏力在地球表面的水平分力，引起水平运动 的物体运动方向发生偏转，故此把这个力又称的物体运动方向发生偏转，故此把这个力又称 为为地球自转偏向力地球自转偏向力。该力的数值大小为。该力的数值大小为 ( (方向垂直于物体的运动方向方向垂直于物体的运动方向) )。F=2mvsin地球自转所以会使水平运动物体发生

9、偏向，基本地球自转所以会使水平运动物体发生偏向，基本 原理是惯性作用，但是对于这一现象的解释常见原理是惯性作用，但是对于这一现象的解释常见 的还有两种：的还有两种： 用高低纬度自转线用高低纬度自转线 速度不同来解释速度不同来解释l这一解释的根据，这一解释的根据， a、不同纬度自转、不同纬度自转 线速度不等线速度不等; b、惯性定律。、惯性定律。 （见右图）（见右图）ABABBABABBABABBABABB 用经纬线本身的偏转来解释用经纬线本身的偏转来解释l这一解释的根据是惯性定律。依惯性原理，地球这一解释的根据是惯性定律。依惯性原理，地球 表面运动物体的运动方向并没有改变，只是由于表面运动物体

10、的运动方向并没有改变，只是由于 地球的自转，作为地表确定方向的经线和纬线在地球的自转，作为地表确定方向的经线和纬线在 空间的方位不断地发生变化，相应的才使水平运空间的方位不断地发生变化，相应的才使水平运 动的物体发生了偏向。动的物体发生了偏向。sNWENWENWSEWSE二、地球自转运动的方向、周期和速度二、地球自转运动的方向、周期和速度（一）地球自转运动的方向（一）地球自转运动的方向（二）地球自转运动的周期（二）地球自转运动的周期（三）地球自转运动的速度（三）地球自转运动的速度1、地球自转的角速度、地球自转的角速度2、地球自转的线速度、地球自转的线速度3、地球自转速度的变化、地球自转速度的变

11、化二、地球自转运动的方向、周期和速度二、地球自转运动的方向、周期和速度（一）（一）地球自转运动的方向地球自转运动的方向l根据在地球上确定方向的习惯，日出为东，根据在地球上确定方向的习惯，日出为东， 日落为西，则地球自转的方向是自西向东日落为西，则地球自转的方向是自西向东 （这与天体周日视运动的方向正好相反）。（这与天体周日视运动的方向正好相反）。l在北极上空观看，地球自西向东的自转是在北极上空观看，地球自西向东的自转是 逆时针；在南极上空观看，则地球自西向逆时针；在南极上空观看，则地球自西向 东的自转是顺时针方向。东的自转是顺时针方向。l一般规定，从天北极看，凡逆时针方向自转一般规定，从天北极

12、看，凡逆时针方向自转 的天体，都是自西向东的，称这种自转为顺的天体，都是自西向东的，称这种自转为顺 向自转；凡顺时针方向自转的天体，都是自向自转；凡顺时针方向自转的天体，都是自 东向西的，称这种自转为逆向自转。东向西的，称这种自转为逆向自转。（二）地球自转的周期（二）地球自转的周期地球自转的周期是一日。地球自转的周期是一日。一般是在地球之外选定一个一般是在地球之外选定一个 参考点，由于地球的自转运动，被选定的参考点连续参考点，由于地球的自转运动，被选定的参考点连续 两次回归到同一方向时，其间的时间间隔就是地球的两次回归到同一方向时，其间的时间间隔就是地球的 自转周期。自转周期。l某一天体周日视

13、运动的周期，就是该天体连续某一天体周日视运动的周期，就是该天体连续 两次通过某地上中天（或同一子午线平面）的两次通过某地上中天（或同一子午线平面）的 时间间隔，也叫做一日。时间间隔，也叫做一日。天体周日视运动的周期，可以用来反映地球自转的周期。天体周日视运动的周期，可以用来反映地球自转的周期。l太阳、月亮和恒星各有自己的周日视运动的周太阳、月亮和恒星各有自己的周日视运动的周 期，因此也就有了各种不同的日期，因此也就有了各种不同的日太阳日、太阳日、 太阴日太阴日和和恒星日恒星日。在太阳日、太阴日和恒星日中，只有恒星日才是地球在太阳日、太阴日和恒星日中，只有恒星日才是地球 自转的真正周期，即地球绕

14、轴自转自转的真正周期，即地球绕轴自转360所需的时间。所需的时间。地球自转地球自转太阳日：太阳日：太阳中心连续两次通过某地太阳中心连续两次通过某地 上中天的时间间隔，其平均上中天的时间间隔，其平均 长度为长度为24小时小时。太阴日：太阴日：月亮中心连续两次通过某地月亮中心连续两次通过某地 上中天的时间间隔，其平均上中天的时间间隔，其平均 长度为长度为24小时小时50分钟分钟。恒星日：恒星日：某恒星中心连续两次通过某地某恒星中心连续两次通过某地 上中天的时间间隔，其平均长上中天的时间间隔，其平均长 度为度为23小时小时56分分4秒秒。 恒星日恒星日与与太阳日太阳日在一个恒星日内，在一个恒星日内，

15、地球自转地球自转360，但在一个太阳日但在一个太阳日内，地球公转内，地球公转59，自转自转36059，这这59的差值是的差值是地球公转造成的，地球公转造成的，使太阳日比恒星日使太阳日比恒星日约长约长3分分56秒秒。星上中天星上中天日上中天日上中天星下中天星下中天恒星日恒星日太阳日太阳日59轨道轨道星上中天星上中天日上中天日上中天AAAA地球地球太阳太阳恒星日与太阴日恒星日与太阴日在一个恒星日内，地球自转在一个恒星日内，地球自转360，但在一个太阴日内，月，但在一个太阴日内，月球公转球公转1338，地球自转，地球自转37338，这，这1338的差的差值是月球公转造成的，使太阴日比恒星日长约值是月

16、球公转造成的，使太阴日比恒星日长约53分分56秒秒。星上中天星上中天月上中天月上中天星下中天星下中天星上中天星上中天月上中天月上中天太太 阴阴 日日恒恒 星星 日日13 38地球地球地球地球地球地球地球地球月月月月月月月月AAAA（三）地球自转的速度（三）地球自转的速度1、地球自转的角速度、地球自转的角速度角速度是指地球上某点在单位时间内绕轴所转过的角度。角速度是指地球上某点在单位时间内绕轴所转过的角度。l地球自转角速度的大小与转动半径长短无关，故全地球自转角速度的大小与转动半径长短无关，故全 球各地（除两极外）的自转角速度都是一致的，它球各地（除两极外）的自转角速度都是一致的，它 既不随纬度

17、而变化，也不随高度而变化；既不随纬度而变化，也不随高度而变化；l地球自转的角速度是每恒星日地球自转的角速度是每恒星日360。 即即=360/恒星日恒星日=36059/太阳日太阳日=15.041/小时小时 或或=2/恒星日恒星日=2/86164秒秒=7.29210-5弧度弧度/秒秒。2、地球自转的线速度、地球自转的线速度 线速度是指地球上某点在单位时间内绕轴进行圆运动时线速度是指地球上某点在单位时间内绕轴进行圆运动时所走的距离。所走的距离。l地球自转线速度的大小与转动半径大小有关。假设地地球自转线速度的大小与转动半径大小有关。假设地 球是个正球体，那么在任意纬度球是个正球体，那么在任意纬度处，地

18、球自转的线处，地球自转的线 速度为速度为V V=2Rcos/T=V/T=V0 0coscos（T T为恒星日，为恒星日，V V0 0为赤为赤 道上的自转线速度）。道上的自转线速度）。l地球表面各地线速度的大小是不一样的，其大小因纬地球表面各地线速度的大小是不一样的，其大小因纬 度的不同而不同，与所在地纬度的余弦成正比，即随度的不同而不同，与所在地纬度的余弦成正比，即随 着纬度的增高，地球表面的线速度逐渐减小。着纬度的增高，地球表面的线速度逐渐减小。l在同一纬度，地球自转的线速度还因高度的不同而不在同一纬度，地球自转的线速度还因高度的不同而不 同，高度愈大，地球自转的线速度就愈大。同，高度愈大，

19、地球自转的线速度就愈大。l赤道上，地球自转的线速度为赤道上，地球自转的线速度为V V0 0=2=2R/T=465m/sR/T=465m/s。l两极点上，地球自转的线速度和角速度均为两极点上，地球自转的线速度和角速度均为0。3、地球自转速度的变化、地球自转速度的变化 地球自转是不均匀的，其自转速度的变化有三种，地球自转是不均匀的，其自转速度的变化有三种，即长期变化、季节变化和不规则变化。即长期变化、季节变化和不规则变化。长长 期期 变变 化化主要是月球和太阳对于地球的潮汐作主要是月球和太阳对于地球的潮汐作用造成的。它使地球自转速度逐渐减用造成的。它使地球自转速度逐渐减慢，使一日的长度增加（每一百

20、年大慢，使一日的长度增加（每一百年大约增长约增长12毫秒），同时也使一年的毫秒），同时也使一年的日数逐渐减少。日数逐渐减少。季季 节节 变变 化化分为周年变化和半年变化。周年变化分为周年变化和半年变化。周年变化主要是风的季节变化引起的，其振幅主要是风的季节变化引起的，其振幅为为2025毫秒；半年变化是大气潮汐毫秒；半年变化是大气潮汐引起的，其振幅约为引起的，其振幅约为9毫秒。毫秒。不规则变化不规则变化是一种时快时慢的变化，其原因也是地是一种时快时慢的变化，其原因也是地外和地内物质移动和能量变换引起的。外和地内物质移动和能量变换引起的。三、地球自转的后果三、地球自转的后果（一）不同纬度的天体周日

21、运动（一）不同纬度的天体周日运动（二）水平运动物体的偏转现象（二）水平运动物体的偏转现象三、地球自转的后果三、地球自转的后果（一）不同纬度的天体周日运动（一）不同纬度的天体周日运动天体周日运动天体周日运动在运动的地球上所看到的日、月、星在运动的地球上所看到的日、月、星辰这些天体每日的东升西落现象。辰这些天体每日的东升西落现象。l天体的周日运动是地球天体的周日运动是地球 自转的反映，其运动方自转的反映，其运动方 向自东向西。向自东向西。l天体周日运动的轨道是天体周日运动的轨道是 平行于天赤道的圆圈，平行于天赤道的圆圈， 称为周日平行圈。称为周日平行圈。l周日平行圈的大小，决周日平行圈的大小，决

22、定于天体的赤纬；天赤定于天体的赤纬；天赤 道是最大的周日平行圈。道是最大的周日平行圈。地平圈地平圈地平圈地平圈地轴天轴地球的自转与天体的周日视运动示意图地球的自转与天体的周日视运动示意图在不同纬度观测天体，所见的天球范围和周日平行圈在不同纬度观测天体，所见的天球范围和周日平行圈 的情况是不同的。的情况是不同的。l观测者在地球上的任何地方，只能看到地平圈以上观测者在地球上的任何地方，只能看到地平圈以上 半个天球上的星空；半个天球上的星空；l随着天球的旋转，东方地平附近不断有上升的天体，随着天球的旋转，东方地平附近不断有上升的天体， 西方地平附近不断有下落的天体；西方地平附近不断有下落的天体；l地

23、平以下天体是否能够转到地平以上来，决定于观地平以下天体是否能够转到地平以上来，决定于观 测者所在的地理纬度。（地理纬度不同，天极的高测者所在的地理纬度。（地理纬度不同，天极的高 度不同，所看到的天球周日旋转情况就不同度不同，所看到的天球周日旋转情况就不同） 。（1）在两极（）在两极（=90=90）上）上l天体的周日平行圈都与地平圈平行；天体的周日平行圈都与地平圈平行；l在北极上抬头观天，天赤道（地平圈）以北的天体永远在北极上抬头观天，天赤道（地平圈）以北的天体永远 以以逆时针逆时针方向平行于地平圈作周日运动，它们常显不落，方向平行于地平圈作周日运动，它们常显不落， 称之为称之为“恒显星恒显星”

24、；而天赤道以南而天赤道以南 的星体，永隐地平以下，称之为的星体，永隐地平以下，称之为 “恒隐星恒隐星”；l在南极上抬头观天，则北极看在南极上抬头观天，则北极看 不到的恒隐星变为恒显星，看不到的恒隐星变为恒显星，看 到的恒显星变到的恒显星变 为恒隐星，它们为恒隐星，它们 周日运动的方向都是周日运动的方向都是顺时针顺时针的。的。P(Z)P(Z)QQO（2）在赤道上（）在赤道上（=0=0）l天体的周日平行圈都和地平圈垂直；天体的周日平行圈都和地平圈垂直；l所有天体都垂直上升和下落，所有天体都垂直上升和下落， 每天有每天有12小时在地平以上，小时在地平以上， 12小时在地平以下；这些每小时在地平以下；这些每 天东升西落的恒星称之为天东升西落的恒星称之为出出 没星；没星；l观测者可以看见天球上所有恒星。观测者可以看见天球上所有恒星。PP(N)(S)(Q)(Q)ZZ（3）在赤道和两极之间（）在赤道和两极之间（090）l天体的周日平行圈和地平圈天体的周日平行圈和地平圈 斜交，其交角等于斜交，其交角等于90；l所有天体都倾斜上升，倾斜所有天体都倾斜上升，倾斜 下落；下