第三章地球的运动

第三章地球的运动第一节地球的自转一、地球自转及其证明1．地球自转的含义与方向⑴地球自转的含义:地球绕自身轴线的旋转运动。⑵地球自转方向北半球看呈逆时针方向（即向左）,南半球看呈顺时针方向（即向右）,这样的方向被称为向东。2．地球自转的发现和证明⑴地球自转的发现

人们很早就发现日月星辰每天都自东向西绕转一周，但对这种现象，早期被认为是所有的星辰都在绕地球旋转，直到16世纪波兰天文学家哥白尼经过反复论证，才肯定“天旋”是由于“地转”。

⑵地球自转的证明①重力测量与弧度测量自转→重力加速度赤道最小、两极最大；地球不是正球体而是椭球体

②傅科摆实验1851年，法国物理学家傅科在巴黎保泰安教堂，用一个特殊的单摆让在场的观众亲眼看到了地球在自转。后人为纪念其功献而将这种单摆称为“傅科摆”。○傅科摆的特征摆长67m，以增加摆动的振幅和周期、减慢摆动速度以减小空气阻力。摆锤重27kg，增大摆动惯性、储备足够的摆动机械能以延长摆动时间。悬挂装置特殊，能使摆动平面超然于地球自转。○傅科摆证明地球自转的原理作为一种物质形式，摆无法脱离地球自转的牵连，但作为一种运动状态，摆动和摆动平面却可以超然于地球自转。○傅科摆偏转的规律偏转角速度与纬度的正弦成正比偏转方向，北半球顺时针偏转，即向右偏；南半球逆时针偏转，即向左偏。③落地偏东自转→自转速度随高度增加而增加，自高处下落的物体因具有较高的向东的自转速度，必然落在偏东的地点。落地偏东的偏移量与纬度有关：赤道最大，纬度越高，偏东的位移量越小，极点处无偏东现象,用公式表示为:

ABB'AB东V落地偏东的位移量很小，如纬度40°，高度200m处下落的物体东偏位移只有4.75cm；而且受地转偏向的影响，北半球落体偏东略微偏南，南半球落体偏东略微偏北。二、地球自转的规律性地轴是地球自转的旋转轴，与地球表面相交于南北两极，其无限延伸便是天轴，天轴与天球相交于南北天极。南北两极在地面上的位置，可用来表示地轴在地球内部的位置；南北天极在天球上的位置，可用来表示地轴在宇宙空间的位置。地球上的南北两极和天球上的南北天极都由地轴的位置决定。地轴无论是在地球内部的位置，还是在宇宙空间的位置都不是一成不变的。地轴在地球内部位置的变化，表现为地球南北两极在地面上的移动，称为极移，是整个地球相对于地轴的运动所造成的（地轴的空间位置被认为不变，即天极在天球上位置不变）；地轴在宇宙空间位置的变化，表现为南北天极在天球上的移动，称为进动，是地轴本身相对于宇宙空间和恒星世界的运动所造成的（地轴在地球内部的位置被认为不变，即地极在地球上的位置不变）。1．极移——地极在地面上的移动⑴极移的振幅：≤0.5"或15m①自由摆动：自转轴对于惯性轴的偏离，周期为14个月②受迫摆动：大气运行的季节性，周期为12个月⑵极移的原因和周期极移造成各地经纬度的变化；反过来，可通过精确测定经纬度来研究极移。一般极移观测站多在39º08'N附近，国际上1899年（我国1964年）便开始设站观测极移现象。⑶极移的影响和观测进动，在物理学中，是指转动物体的转动轴环绕另一轴的转动，是一种圆锥形运动，如陀螺的转动轴环绕铅垂线的转动。2．地轴进动——天极在天球上的移动⑴进动地轴的进动就是指地轴环绕黄轴（过黄极且垂直于黄道）的转动。①圆锥形运动的圆锥轴线为黄轴。②圆锥半径为23°26′，就是黄赤交角。③进动的方向向西，同地球自转和公转方向相反，所以称为“退行”。④进动的速度是每年50.29"，周期为25800年。⑵地轴进动的特征ε①地球是一个椭球体，赤道隆起部分受到一个来自日月的附加引力，且向日月的一侧稍大于背日月的一侧，二者的差值存在于向日月一侧并指向日月。⑶地轴进动的原理②黄赤交角的存在使日月经常在赤道平面以外对赤道隆起施加引力。向日月和背日月部分的赤道隆起所受的引力差值形成一个力矩，其作用是把赤道面“拉”回黄道面，地轴趋近黄轴。

③地球存在自转，根据物理学原理，转动物体受到垂直于其自转轴的外力矩作用时，其自转轴便向外力矩的正方向靠拢。

①天极的周期性运动⑷地球进动的表现

北半球看，北天极以黄北极为中心，23º26'为半径，由东向西作圆运动，速度每年50.29"，2.58万年完成一周。北天极的移动，导致北极星的运动。北极星，指的是靠近北天极的亮星，因此它必然随北天极的移动而轮番替换。公元前3000是天龙座α，即右枢，现在是小熊座α，即勾陈一，到公元13600天琴座α，即织女星将成为北极星。②赤道面的系统性变化

赤道面永远垂直于地轴，随着地轴的进动而进动，从而使赤道面与黄道的交点以同样的方向和速度在黄道上移动，约71年又7个月向西移动1°，称为“交点退行”。

γKP周期：25800年速度：50.29"/a方向：自东向西③交点退行使以春分点为参考点量度的回归年略短于恒星年，其差值约为20分，中国古代称此为“岁差”。④春分点的西移，引起赤道坐标系中恒星的赤经和赤纬发生缓慢的持续变化，同时也引起黄道坐标系中黄经的持续变化。3.地球自转的周期⑴自转周期与时间的量度通常说地球自转的周期是1日。其实，与其说地球自转以1日为周期，倒不如说时间的量度以地球自转的周期为1日。而地球自转周期的量度，需要在地外寻找一个超然于地球自转的参考点。这样1日的长短便会因选取的参考点不同而不同，天文上的“日”有三种：恒星日，太阳日和太阴日。⑵恒星日、太阳日与太阴日恒星日:同一恒星连续两次在同地中天所需的时间，23时56分太阳日:太阳连续两次在同地中天所需的时间，24时太阴日:月球连续两次在同地中天所经历的时间，24时50分

⑶太阳日和太阴日比恒星日长的直接原因太阳和月球在天球上向东运行，其赤经不断增大，从而推迟中天，因此连续两次中天的时间间隔随之拉长。1个太阳日内，地球自转了360°59′；1个太阴日内，地球自转了373°38′。

⑷太阳日和太阴日比恒星日长的根本原因地球和月球向东公转，延迟了太阳和月球第二次中天的时间；月球公转速度比地球快，所以太阴日比太阳日还要长。4．真太阳日与平太阳日

⑴真太阳日和平太阳日的含义太阳日不仅取决于地球的自转，而且也包含着地球公转的因素。地球向东公转，表现为太阳向东的周年运动，从而引起太阳赤经逐日增大。太阳赤经逐日增大的速度，即每日赤经差，随季节而变化，从而导致太阳日的长短也随着季节的变化而变化，这种逐日变化的太阳日称为真太阳日或视太阳日。真太阳日的全年平均值，称为平太阳日。

⑵太阳每日赤经差季节变化的原因①黄赤交角的存在地球公转引起的太阳视位置的差异，表现为太阳逐日的黄经差，而太阳日是用太阳的时角来量度，而时角与太阳赤经等量。根据第二赤道坐标系与黄道坐标系的关系来看，赤经与黄经有共同的原点，但基圈却不相同，所以即使有相同的黄经差，也不会有相同的赤经差，二者的具体差异与黄赤交角大小密切相关。二分日，黄道与天赤道的交角最大，平均每日59'的黄经差，造成大约54'的赤经差，相应的时间减少21秒；二至日，黄道与天赤道基本平行，平均每日59'的黄经差，造成大约64'的赤经差，相应的时间增加21秒。如果没有其他原因，一年中最长的真太阳日约为24时0分21秒，发生在二至；最短的真太阳日约为23时59分39秒，发生在二分。②地球的椭圆轨道地球沿椭圆轨道绕太阳运行，公转速度不等，造成太阳每日黄经差存在周年变化。近日点，地球公转速度最快，每日黄经差最大，约为61'，相应地赤经差增大2'，真太阳日增长8"；远日点，地球公转速度最慢，每日黄经差最小，约为57'，相应地赤经差减少2'，真太阳日减少8"。如果没有其他原因，一年中最长的真太阳日约为24时0分8秒，发生在1月初；最短的真太阳日约为23时59分52秒，发生在7月初。1月2日视午1月1日视午4月2日视午4月1日视午7月2日视午7月1日视午（a）视太阳日平太阳日（a）视太阳日平太阳日（a）视太阳日平太阳日黄赤交角与椭圆轨道两个因素共同影响，造成全年最长的真太阳日为24时0分29秒，发生在冬至；最短的真太阳日为23时59分39秒，发生在秋分前（9月17日）。

5．地球自转的速度⑴角速度①地球各部分自转角速度相同。②地球自转角速度平均每小时15º，或每分15'，每秒15"（恒星时）；如换成平太阳时，就为15º2'6"/h。

⑵线速度①地球自转的线速度因纬度和高度而不同。②同一高度，地球自转线速度随纬度增大而减小：赤道上自转线速度最大，为465m/s，任意纬度的自转线速度可由下式求算：Vφ=465m/s·cosφｒＲФ

hrh③同一纬度，地球自转线速度随高度增加而增大：赤道上，高度每增加100m，自转线速度增加26m/s。

ｒＲФ

hrh⑶地球自转速度存在长期变化、季节变化和不规则变化①长期变化的主要原因是月球和太阳对地球的潮汐作用。潮汐摩擦对地球自转起着刹车作用，不断减慢地球自转速度。②季节变化又分为周年变化和半周年变化。周年变化是季风的变化引起的，振幅为25～25ms；半周年变化是大气潮汐引起的，振幅为9ms。③不规则变化是由于地球内部和外部的物质移动和能量交换所致。三、地球自转的地理效应1．天球的周日运动恒星的周日运动是地球自转的单纯反映。其运动的路线称为周日圈，是各恒星所在的赤纬圈，都以南北天极为不动的中心，每颗恒星都有不变的出没方位和中天高度。天和地的关系，犹如球面与球心的关系，恒星周日运动的方向同地球自转方向相反。恒星周日运动的周期（恒星日）和角速度，如实地反映了地球自转的周期和角速度。

⑴不同天体的周日运动①恒星的周日运动太阳和月球的周日运动不仅是地球自转的反映，还有地球和月球公转的因素。地球和月球向东公转，使太阳和月球存在向东的巡天运动，造成其周日运动周期都比恒星周日运动周期长。表现为恒星逐日提前4分钟中天，造成星空形象的季节变化；月亮逐日推迟约50分钟中天。太阳和月球的周日圈因其赤纬的变化而变化，没有固定的出没方位和中天高度。太阳周日圈的变化，引起昼夜长短和正午太阳高度的变化，从而形成季节的递变。

②太阳和月球的周日运动A．恒显星是指周日圈全部位于地平圈以上，永不落下的恒星，也叫拱极星。B．恒显星区，即恒显星的范围，是一个以仰极为中心的圆形天空区域。C．恒显圈，即恒显星区界线，是在北点同地平圈相切的赤纬圈，其半径等于仰极距，等于当地的地理纬度。⑵不同纬度的周日运动①恒显星、恒显星区和恒显圈A．恒隐星是指周日圈全部位于地平圈以下，永不升起的恒星。B．恒隐星区，即恒隐星的范围，是一个以俯极为中心的圆形天空区域。C．恒隐圈，即恒隐星区的界线，是在南点同地平圈相切的赤纬圈，其半径也等于当地的地理纬度。②恒隐星、恒隐星区和恒隐圈出没星是指周日圈同地平圈相交，有东升西落现象的恒星。出没星区的范围是一个以天赤道为中心的环带，环带的宽度等于当地余纬的二倍。

③出没星④天球周日运动的纬度差异，主要表现在恒显星、恒隐星和出没星的范围大小不同：纬度愈高，恒显星区和恒隐星区愈大，出没星区愈小，周日圈与地平圈的交角愈小；纬度越低，仰极高度越小，恒显星和恒隐星区越小，出没星区越大，周日圈与地平圈的交角越大。

⑴不透明的地球在太阳光的照射下，一半为白昼，另一半为黑夜，昼半于与夜半球之间的分界线称为晨昏线。

2．以太阳日为周期的昼夜交替⑵地球自西向东自转，使晨昏线自东向西不断移动，从而形成昼夜交替，同时使各地以太阳为参考点的地方时因经度不同而不同，且东边的地点地方时较西边的地点早。

⑶昼夜交替，使太阳可均匀加热地球，为生物创造了较好的生存环境，也使地球上一切生命活动和各种物理化学过程都具有明显的昼夜变化。

地球坐标的确定，是以地球自转特性为依据的。因为地球坐标系的基本圈和基本点是与自转相联系的：赤道是地球表面自转线速度最大的各点连成的大圆；极点是线速度为零的两点；地轴是地球内部线速度为零的各点连成的直线。

3．地球坐标的确定①地球上的方向都以经线和纬线为准，而经线和纬线因地球自转而不变改变空间方向。②水平运动的物体由于惯性而保持速率和方向不变。

⑴造成地表水平运动方向偏转的原因4．水平运动的偏转由于地球自转，使北半球经纬线逆时针方向（向左）偏转，南半球经纬线顺时针方向（向右）偏转，从而造成真正保持运动方向不变的物体相对地发生向右（北半球）或向左（南半球）偏转。

⑵水平运动方向偏转的规律性按惯性定律，如果物体运动方向或速率发生改变，必定是受某种处力的影响。地球自转造成的水平运动方向偏转，被假想成受到一个力的作用。这个力最早由法国数学家科里奥利研究并确认，故称为科里奥利力，简称科氏力，地理和气象学上称为地转偏向力。

⑶地转偏向力地转偏向力是一种视力，一种假想的力，只能改变物体运动的方向，而不能改变其速率，其大小随纬度和物体运动速度而定：F=2Vωmsinφ第二节地球的公转一、地球公转及其证明1.公转的定义与方向⑴地球绕太阳的运动，称为地球的公转。⑵地球公转的方向与其自转方向相同。2．地球公转的证明⑴恒星周年视差①视差位移视差位移，是指由于观测者位置的变化而引起目标方向发生改变的现象。是指在地球上观察恒星时，由于地球的公转运动导致该恒星相对天于背景发生视位移的现象。地球在半年的空间位移虽然十分巨大（近3亿km）,但相比之下恒星的距离更为遥远，因此恒生的视差位移极为微小和难以观察。②恒星的视差位移现象恒星的视差位移以一年为周期；恒星周年视差位移的路线是一封闭曲线，但其具体形状则因恒星的黄纬而不同：近黄极恒星，周年视差位移路线与地球公转轨道相同，接近一个正圆；黄道上恒星，周年视差位移路线则成一段直线；其它黄纬上的恒星，周年视差位移路线都是椭圆，且愈近黄极，扁率愈小。③恒星周年视差椭圆地球上观测到的恒星实际视位置同其平均视位置（从太阳上观测到的位置）进行之间总存在一个偏差其大小同地球在其轨道上位置有关。当日地连线垂直于星地连线时，同一恒星的视差位移达到极大值，被称为恒星的周年视差，或简称为年视差。

④恒星周年视差的大小年视差（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之差近日点：距日1.471亿km，地球1月初经过；远日点：距日1.521亿km，地球7月初经过；中距点：地球短半轴的两个端点，地球于4月初和10月初经过。⑵太阳在轨道中的位置地球公转轨道面与赤道面之间的夹角，亦即黄道与天赤道之间的夹角，称为黄赤交角。黄道与天赤道相交于春秋二分点，黄道与距天赤道最远的两点，称为二至点，距天赤道23°26′,称黄赤大距。黄赤交角的存在，具有重要的天文和地理意义。2．黄赤交角3．公转周期365.2425d365.2422d346.62d365.2596d⑴角速度：平均每日59⑵线速度：平均每秒30公里⑶面速度：不变4．地球公转速度⑴太阳周年运动的轨迹——黄道，如实地反映了地球轨道平面在天空中的位置。

三、地球公转的地理效应1．太阳周年（视）运动⑵太阳在黄道上的不同位置，真实地反映了地球在公转轨道上的位置。一羊二牛三双子，四蟹五狮室女连，七秤八蝎九人马，摩宝双鱼十二全。⑶太阳周年运动的方向、角速度和周期，分别如实地反映了地球公转的方向、角速度和周期。

行星与太阳的会合运动，是指由于太阳和行星都以各自特定的周期在地心天球上运动，从而导致太阳和各个行星之间存在着相对运动，实质是地球与各大行星绕太阳公转速度不同而呈现出来的一种复合运动。2．行星同太阳的会合运动⑴会合运动的概念当行星和太阳的黄经相等时，二者都处于地球的同一侧，就是行星同太阳会合，叫做行星合日，或简称合。相反，当行星和太阳的黄经相差180º而处于地球的两侧时，叫做行星冲日，或简称冲。⑵行星合日和冲日E上合冲下合合行星合日是一种周期性现象。从这一次行星合日到下一次行星合日所经历的时间，叫行星的会合周期。会合周期的长短，取决于行星公转周期和地球公转周期。二者之间的具体关系，则因地内行星和地外行星而不同。⑶会合运动的周期①地内行星与太阳会合运动的周期②地外行星与太阳会合运动的周期地内行星与太阳的黄经差，有一定的限度（且＜90°），称为大距（即最大的距角）。其中位于太阳之东的大距，叫做东大距；位于太阳之西的大距，叫做西大距。东西大距是观测地内行星的最好时机。地内行星的合日有上合和下合之分，距离地球近的一次