行星绕太阳运动公转周期平方与它们轨道半长径立方成正比

对太阳系(宇宙)的认识过程中国古代的地动思想托勒密的地心体系哥白尼的日心体系开普勒三大定律的发现牛顿万有引力定律的发现科学的太阳系概念的建立第1页/共102页第一页，共103页。盖天说:天圆地方,日月星辰从东方升起,西方落下,然后再从地下穿过去直到唐代,盖天说才被天文学家彻底否定第2页/共102页第二页，共103页。浑天说:天地就像鸡蛋里的蛋黄与蛋清,地的形状是一个球形，被天包在当中，称为地球日月星辰都附着在天球上，周而复始地旋转天球之外是未知的世界第3页/共102页第三页，共103页。唐代天文学家：利用浑仪和浑象(浑天仪)，大量测量彻底否定了盖天说浑天说在中国古代天文领域称雄了上千年郭守敬（元代）：1276年通过传统浑仪的改革，创造了一种新型测天仪－－简仪简仪去掉了妨碍视线的众多圈环，扩大了天体观测范围，除了北天极附近以外，全部天空一望无余第4页/共102页第四页，共103页。浑仪约在公元前四世纪至公元前一世纪之间第5页/共102页第五页，共103页。铜浑仪为球体模型，是用一个轴贯穿球心，轴和球有两个支点，作为南极和北极，在球面刻二十八宿、中外星官和枘道、赤道、南极、北极、二十四节气、恒隐圈、恒显圈等。在球的外面套有两个圆圈，一个叫地平圈，另一个叫子午圈，交叉环套。天球半露在地平圈上，半隐在地平圈下。天轴支架在子午圈的上边。另外，在球体上还有黄道和赤道，距离互成二十四度交角。要赤道和黄道上各刻有二十四节气，并且从冬至点起，刻分成三百六十五又四分之一度，每度分四格，太阳每天辐射在黄道上移动一度。

第6页/共102页第六页，共103页。简仪第7页/共102页第七页，共103页。简仪的设计思想高超，结构精巧，是天文发展史上的重大革新，在古代天文仪器中处于遥遥领先的地位，1598年丹麦天文学家第谷所发明的仪器才能与之媲美。它的赤道装置是近代大型天文望远镜赤道装置的原型，地平装置是近代地平经纬仪的先驱，而窥管中的十字线则开了后世天文望远镜里十字线的先河。

第8页/共102页第八页，共103页。浑象第9页/共102页第九页，共103页。浑象是表现天球运动的仪器，是球形的星图，相当于现代的天球仪。浑象的主要组成部分是一个空心铜球，球面上刻有纵横交错的网格，用于量度天体的具体位置；球面上凸出的小圆点代表天上的亮星，它们严格地按照亮星之间的相互位置标刻。整个铜球可以绕一根金属轴转动，转动一周代表一个昼夜，球面与金属轴相交于两点：北天极和南天极。两个极点的指尖，固定在一个南北正立着的大圆环上，大圆环垂直地嵌入水平大圈的两个缺口内，下面四根雕有龙头的立柱支撑着水平大圈，托着整个天体仪。利用浑象，无论是白天还是阴天的夜晚，人们都可以随时了解当时应该出现在天空的星空图案。

第10页/共102页第十页，共103页。张衡为了使仪器能自己转动，他利用古代计时的漏壶滴水的原理，在仪器上安装了两级漏壶，用漏滴出的水的力量推动齿轮，齿轮带动浑象仪绕轴旋转，使它一天转动一周。这样就可以利用“水动浑象”把天象的变化反映出来，人们坐在屋里看着仪器，就可以清楚地观察日月星辰的起落，改变过去靠日晷测时，阴雨天气就无法测计时的弱点。后来，唐朝的一行和梁令瓒、宋代的苏颂和韩公廉等人，把天体仪和自动报时装置结合起来，发展成为世界上最早的天文钟

第11页/共102页第十一页，共103页。北京古观象台上安置的天体仪我国现存最早的天体仪制于清康熙年间重3850公斤第12页/共102页第十二页，共103页。地心说是亚里士多德首创认为宇宙是一个有限的球体，分为天地两层地球位于宇宙中心日月围绕地球运行物体总是落向地面地球之外有9个等距天层，此外空无一物各个天层自己不会动上帝推动了恒星天层恒星天层带动了所有天层的运动托勒密的地心体系第13页/共102页第十三页，共103页。由里到外的排列次序：月球天、水星天、金星天、太阳天、火星天、木星天、土星天、恒星天和原动力天

第14页/共102页第十四页，共103页。托勒密（公元2世纪）：全面继承了亚里士多德的地心说前人积累和自己长期观测得到的数据

→8卷本的《伟大论》提出了运行轨道的概念发明了本轮均轮模型且运用数学计算行星的运动随着对于行星运动观测资料的增多本轮增加到了八十多个

第15页/共102页第十五页，共103页。托勒密全面继承和发展了亚里士多德的地心说，他把亚里士多德的9层天扩大为11层。托勒密设想，各行星都绕着一个较小的圆周上运动，而每个圆的圆心则在以地球为中心的圆周上运动。他把绕地球的那个圆叫“均轮”，每个小圆叫“本轮”。同时假设地球并不恰好在均轮的中心，而偏开一定的距离，均轮是一些偏心圆；日月行星除作上述轨道运行外，还与众恒星一起，每天绕地球转动一周。托勒密这个不反映宇宙实际结构的数学图景，却较为完满的解释了当时观测到的行星运动情况，并取得了航海上的实用价值，从而被人们广为信奉。

第16页/共102页第十六页，共103页。第17页/共102页第十七页，共103页。15世纪后:

科学技术和航海事业的发展人们发现地心体系与实际观测并不相符哥白尼（16世纪）：

30多年观测研究→《天体运行论》

系统地提出了日心说哥白尼的日心体系第18页/共102页第十八页，共103页。哥白尼认为:宇宙的中心不是地球，而是太阳月球是地球的卫星在以地球为中心的圆形轨道上同时跟地球一起绕太阳公转地球每天自转一周：天穹实际上不转动日月星辰东升西落是地球自转运动的反映恒星和太阳间的距离十分遥远比日地间的距离要大得多第19页/共102页第十九页，共103页。第20页/共102页第二十页，共103页。哥白尼的日心说末超出太阳系的局限地球为宇宙中心→绕太阳旋转的普通行星正确反映了太阳系的实际情况为天文和物理科学发展铺平了道路：开普勒总结出行星运动定律伽利略、牛顿建立经典力学体系第21页/共102页第二十一页，共103页。望远镜：重要的天文观测仪器伽利略的优势：光学原理第22页/共102页第二十二页，共103页。伽利略的重要贡献(1610年1月7日)用自制的望远镜发现了木星的四颗卫星，为哥白尼学说找到了确凿的证据，标志着哥白尼学说开始走向胜利借助于望远镜，伽利略还先后发现了土星光环、太阳黑子、太阳的自转、金星和水星的盈亏现象、月球的周日和周月天平动，以及银河是由无数恒星组成等等开辟了天文学的新时代

第23页/共102页第二十三页，共103页。开普勒(17世纪,第谷的观测资料):总结出了著名的行星运动三大定律行星运动第一定律（椭圆定律）：所有行星绕太阳的运动轨道是椭圆太阳位于椭圆的一焦点上第24页/共102页第二十四页，共103页。行星运动第二定律（面积定律）：联接行星和太阳的直线在相等的时间内扫过的面积相等第25页/共102页第二十五页，共103页。行星运动第三定律（调和定律）：行星绕太阳运动的公转周期的平方与它们的轨道半长径的立方成正比公式表示：

=行星公转轨道半长轴

T=行星公转周期

K=常数

第26页/共102页第二十六页，共103页。惠更斯:要保持物体作圆周运动，必须有一种向心力。向心力的大小为：

m为该物体的质量

v为圆周运动的速度

r是物体到圆心的距离

胡克，哈雷:行星所受向心力与它们到太阳的距离平方成反比第27页/共102页第二十七页，共103页。即行星绕太阳所受到的向心力为：其中c为比例常数。可推得：又从开普勒第二定律可得：所以c应该正比于行星质量，又由对称性，c同时也应该正比于太阳质量：由此可知该向心力源于物体质量（能量）间的相互吸引力：第28页/共102页第二十八页，共103页。牛顿的贡献以地月系统为对象，证明维持月球绕地球运动的向心力来自地球考察地月的质量与它们之间引力关系→完整的万有引力定律：

万有引力定律→推导出开普勒三大定律给行星的运动规律找到了理论证明哥白尼日心体系的稳固理论基础确立了科学的太阳系概念第29页/共102页第二十九页，共103页。亚里士多德前384~前322张衡78~139年郭守敬元朝1231~1316托勒密90年~168年哥白尼1473~1543年伽利略1564～1642年第谷1510~1601开普勒1571~1630惠更斯1629～1695哈雷1656~1742牛顿1642～1727第30页/共102页第三十页，共103页。太阳系的结构和组成九大行星的特征彗星流星和流星雨陨星第31页/共102页第三十一页，共103页。第32页/共102页第三十二页，共103页。九大行星运动特征：同向性：绕太阳公转方向都是自西向东近圆性：绕太阳公转的轨道是接近于圆的椭圆行星的轨道偏心率都小于0.1

（水星和冥王星除外）共面性：公转轨道平面和黄道面非常接近只有水星和冥王星稍有偏角第33页/共102页第三十三页，共103页。行星的分类类地行星：水星，金星，火星(与地球类似)

距太阳近，体积和质量小，平均密度大，表面温度高，中心有铁核，金属含量较高，卫星数小巨行星：木星和土星体积和质量很大，其平均密度小主要由氢，氦，氖等物质构成卫星数目多，木星有16颗，土星有20多颗都有光环第34页/共102页第三十四页，共103页。远日行星：天王星，海王星，(冥王星)距离太阳最远，表面温度低密度介于类地行星和巨行星之间表层气体以氢和甲烷为主都有卫星，天王星和海王星也有光环2006年8月24日国际天文学联合会大会:冥王星视为行星→矮行星“矮行星”：具有足够质量、呈圆球形，但不能清除其轨道附近其他物体的天体第35页/共102页第三十五页，共103页。第36页/共102页第三十六页，共103页。第37页/共102页第三十七页，共103页。第38页/共102页第三十八页，共103页。近距离水星图片美国水手10号探测器发回，1974年第39页/共102页第三十九页，共103页。金星照片美国宇航局水手10号探测器，1974年显示金星被浓厚的云层包围第40页/共102页第四十页，共103页。地球照片伽利略木星探测器，距地球150万英里，1990年12月11日第41页/共102页第四十一页，共103页。火星全球照片美国宇航局海盗号环绕器拍摄第42页/共102页第四十二页，共103页。火星表面探路者号探测器拍摄第43页/共102页第四十三页，共103页。火星南极的冰盖这些冰盖至少有方圆400公里主要由干冰组成第44页/共102页第四十四页，共103页。火卫一（Phobos），海盗号拍摄表面有一个巨大的陨石撞击坑第45页/共102页第四十五页，共103页。哈勃太空望远镜拍摄的木星照片第46页/共102页第四十六页，共103页。哈勃太空望远镜拍摄的土星照片有一个箭头状的风暴，风暴的大小与地球相当第47页/共102页第四十七页，共103页。天王星和它的环，旅行者2号拍摄第48页/共102页第四十八页，共103页。海王星(1989年8月20日)旅行者2号(Voyager2)摄第49页/共102页第四十九页，共103页。肉眼只能够观测金，火，木，土，水星水星因轨道太靠近太阳并不易被观测到天王星，海王星和冥王星距离地球和太阳太远只能用望远镜才能观测到行星没有明显闪烁现象肉眼可见的行星都出现在黄道附近，其亮度一般都比恒星亮金星呈白色，木星呈青白色，火星呈红色，土星近于黄白色（行星表面物质不同）行星在天球上有相对于恒星的移动，其运动比较复杂第50页/共102页第五十页，共103页。小行星带：在火星和木星之间几十万颗小行星，质量总和为地球的万分之四小行星保留了太阳系形成初期的原始状况对研究太阳系起源有重大价值第51页/共102页第五十一页，共103页。有的小行星的轨道非常接近地球图中画出了10颗这样的小行星第52页/共102页第五十二页，共103页。彗星结构：彗核，彗发，彗尾

彗核是含大量尘埃粒子的冰块，其表面呈黑色

彗星运行到太阳附近时，彗核表面被汽化，形成彗发

在太阳光压和太阳风作用下汽化物被推斥到背向太阳的方向，形成彗尾第53页/共102页第五十三页，共103页。彗星的尺度：体积非常庞大，在太阳系里没有任何一个天体可以和它相比大的彗星，彗头的直径就有185万公里相当于地球直径的145倍小的彗星，彗头的直径也有13万公里是地球直径的10倍多彗尾，一般都有5000万公里到两亿公里长最长的可达3.5亿公里

第54页/共102页第五十四页，共103页。彗星的密度很小只是亠团极其稀薄的气体把最大的彗星压缩成同地壳密度相同的球体，它的大小只有一座小山丘那么大和地球相撞也不会有什么危险

第55页/共102页第五十五页，共103页。行星际空间的尘粒和固体小块称为流星体，在掠过地球时受地球吸引进入大气层，与大气摩擦产生高温,出现明亮的闪光划破夜空,形成了流星现象天空某一区域在几小时或更长时间里流星数目显著增加，大大超过通常的偶现流星数，有时甚至象下雨一样，这种现象叫做流星雨

第56页/共102页第五十六页，共103页。第57页/共102页第五十七页，共103页。流星雨发生时，仿佛所有的流星多是从一个点向外辐射出来的。这个点叫做流星雨的辐射点。这是一种视觉透视现象。事实上，所有的流星多是沿着平行于辐射点与观测者联线的方向下落的。大多数流星雨是以辐射点所在的星座命名，有时也用与之相关的彗星来命名

大部分的流星雨都是来自当彗星在通过近日点附近时，沿着其轨道留下许多流星体形成的流星体带第58页/共102页第五十八页，共103页。

当地球通过流星体带附近时，大量流星体受地球引力落入大气层中，在短时间内造成流星数量激增的现象便是流星雨。所以流星雨是和彗星与地球运动和相对位置有关的周期性现象，根据大量的流星雨观测记录显示，每年固定时间从固定辐射点发出的流星雨可重复出现相当多次。

第59页/共102页第五十九页，共103页。大部分流星雨都有一个「母彗星」，每当母彗星回归过后的几年内，该流星雨的数量就会较平常为多。著名的英仙座流星群在7月27日~8月16日出现，相关彗星是以130年为周期的斯威夫特-塔特乐彗星；狮子座流星群出现在11月16日至19日，其母彗星是1866年发现的坦普尔-塔特尔彗星1866I,每隔33年会出现一次特别密集的流星雨；由比拉彗星瓦解而成的流星群在11月27日前后出现，周期为6.6年，辐射点在仙女座。第60页/共102页第六十页，共103页。天空中时时刻刻都可能有流星出现。白天因太阳光强烈，无法看见流星，而晚上流星出现的频率，通常又以下半夜为多，其原因是由于在下半夜，地球自转时观测者所在地区运动的方向与其公转的方向相同，因此从前方迎面而来的流星体相对运动增大，单位时间内可见到较多的流星，因此凌晨较容易看见流星。第61页/共102页第六十一页，共103页。流星现象通常发生于80~120km的高空，少量大而坚实的流星体穿越地球大气时来不及全部汽化，剩余的固体部分落到地面，称为陨星第62页/共102页第六十二页，共103页。陨星按化学成份和矿物组成可分成3类：1）陨铁：铁占90%左右，镍占7%~9%2）陨石：其中最丰富的矿物是橄榄石3）陨铁石：铁镍和硅酸盐等矿物大致各占一半，还含有氧化镁，钠，钙，铝，锰等统计：陨石(92%)陨铁(6%)陨铁石(2%)陨星携带着大量丰富的太阳系天体形成，演化的信息，是人类最易获得的天体样品第63页/共102页第六十三页，共103页。著名的美国巴林杰陨石坑，直径1240m,深170m月球上的陨石坑第64页/共102页第六十四页，共103页。地月日系统地球的自转和公转，及其对地球季节的影响地轴的进动和黄道十二星座月球的自转和公转，以及月相的变化日食与月食的形成条件时间和历法第65页/共102页第六十五页，共103页。人们把位于地面以上，人眼能够直接观测到的半球状天空中心叫作天穹天穹连同隐没在地平线以下的另外关个球面称为天球通常所说的天球是指地心天球，它是以地心为球心，任意距离为半径的假想圆球。尽管客观上不存在这样的圆球，但由于它符合人们的直观感觉，天文学上用它作为研究天体位置和天体运动的描述工具地心和天体的连线同天球的交点叫天体的视位置（即天体在天球上的投影）。天体在天球面上的运动称为视运动第66页/共102页第六十六页，共103页。地球的赤道平面与天球相交而成的天球大圆叫天赤道，地轴无限延长与天球相交的直线叫天轴，相交所得的两点为天极，分别叫北天极和南天极在天体的周日视运动中，众多的天体绕天轴画出一个个相互平行的圆，称为周日平行圈，它们是天体周日视运动的路线在北天球的周日视运动中，北极星几乎不动，其它天体围绕它呈反时针方向旋转，形成古人所云“众星拱北辰”现象第67页/共102页第六十七页，共103页。第68页/共102页第六十八页，共103页。第69页/共102页第六十九页，共103页。天体在天球上的周年视运动，是指天体在天球上的位置以年为周期所发生的变化。它是由地球的公转所引起的要研究天体的周年视运动，就要消除地球自转的影响由于恒星距离地球十分遥远，故恒星的周年视运动可以认为是静止的。所以观察天体一年中在天球上相对于恒星的位置的变化即可得到该天体的周年视运动太阳中心在天球上周年视运动的轨迹是一个大圆，叫黄道。黄道真实地反映了地球公转轨道在天空中的位置第70页/共102页第七十页，共103页。第71页/共102页第七十一页，共103页。第72页/共102页第七十二页，共103页。地轴的进动第73页/共102页第七十三页，共103页。地球在绕着地轴自转的同时，地轴也在绕着与黄道面垂直的轴旋转，这一运动称为地轴进动。这一进动的周期约为26000年由于地轴的进动，北极星和南极星也会随时间而变化。古书记载，公元前3000年的“北极星”是天龙座a星；现在的北天极在小熊座a星附近；大约到公元14000年，织女星将登上北极星的宝座，而那时的老人星将成为南极星地轴的进动还将引起黄赤交点的移动，即春分点及所有节气点的移动第74页/共102页第七十四页，共103页。第75页/共102页第七十五页，共103页。第76页/共102页第七十六页，共103页。

地轴进动对黄道十二星座的影响第77页/共102页第七十七页，共103页。星空中一块特定区域及在其中的一组星群西方原先用来标志天空中被想象成构成一定图形的一组星群的名字指天空中任何一块确定的区域中国古代:星空分为三垣二十八宿现用星座体系始于迦勒底和埃及（几千年前)

后来为希腊和罗马天文学家进一步发展星座第78页/共102页第七十八页，共103页。为方便航海时辨别方位与观测天象，将散布在天上的星星运用想像力把它们连结起来，以神话中的人物或动物等为星座命名公元２世纪，北天星座名称已大体确定公元１７世纪，环球航行成功，南天４８个星座名称才逐渐确定１９２８年，国际天文学联合会公布了８８个星座方案第79页/共102页第七十九页，共103页。

北天29星座

小熊座

天龙座

仙王座

仙后座鹿豹座

大熊座

猎犬座

牧夫座北冕座

武仙座

天琴座

天鹅座蝎虎座

仙女座

英仙座

御夫座天猫座

小狮座

后发座

巨蛇座

蛇夫座

盾牌座

天鹰座

天箭座狐狸座

海豚座

小马座

飞马座三角座

第80页/共102页第八十页，共103页。南天47星座鲸鱼座

波江座

猎户座

麒麟座小犬座

长蛇座

巨爵座

乌鸦座豺狼座

南冕座

天坛座

天鹤座

凤凰座

时钟座

绘架座

船帆座圆规座

南鱼座

孔雀座

玉夫座天炉座

雕具座

天鸽座

天兔座

大犬座

船尾座

罗盘座

唧筒座矩尺座

杜鹃座

网罟座

剑鱼座飞鱼座

船底座

苍蝇座

南极座

天燕座

水蛇座

山案座

变色龙座六分仪座

显微镜座

望远镜座

南十字座南三角座

半人马座

印第安座

第81页/共102页第八十一页，共103页。黄道在天球上所对的12个星座即为“黄道十二宫”，即在太阳的周年视运动中，会依次经过这十二个星座所处的位置黄道12星座最早来源于古巴比伦人，后来传入欧洲和印度等地,大约在中国的唐或者更早一些,这12个星座也传入了中国生日那一天太阳在天球上所处的星座即为你的星座第82页/共102页第八十二页，共103页。第83页/共102页第八十三页，共103页。由于地轴的进动，黄道在天空的位置也跟着变动。每隔两千年，太阳到达每一宫的时间会推迟一个月。现在，黄道不只经过12个星座，还夸过第十三个星座蛇夫座第84页/共102页第八十四页，共103页。第85页/共102页第八十五页，共103页。月球:地球的卫星，距地球最近的天体，人类最容易观测的天体白道:月球公转轨道平面与天球相交的大圆月球自转周期=绕地球公转周期=27.3217天所以月球总以同一面对着地球

(地球上每一年看到的月面景色都是一样的)地月系统第86页/共102页第八十六页，共103页。蓝色的为月海，土红色的为月陆第87页/共102页第八十七页，共103页。月球正面月球北面第88页/共102页第八十八页，共103页。日地月三者相对位置的变化:在地球上看到月亮形状会以周期性变化月亮的各种圆缺的形状叫作月相月球绕地球公转的同时，还伴随着地球一起围绕太阳运转，因此月亮盈亏的同期与其公转周期不同，为29.53天,称为朔望月第89页/共102页第八十九页，共103页。第90页/共102页第九十页，共103页。当月球运行到太阳和地球之间时，月球的影子有时会掠过地球投向昼半球的某些区域，处在这个区域内的人们就看到了日食。而当月球运行到地球的阴影中时，就会发生月食由此可见日食一定发生在农历初一的朔，而月食一定发生在农历十五或十六的望。因为只有在这两个时候日地月三者才可能在一条直线上又由于白道和黄道面有交角，因此日食和月食发生的第二个条件就是月球处于黄道和白道面的相交线或其附近第91页/共102页第九十一页，共103页。时间和历法时间的自然单位有年，月，日3种，通常它们分别是指太阳周年视运动，月球与太阳会合运动，太阳周日视运动的周期，即回归年，朔望月和太阳日三者中日是基本单位，年和月通常用日的倍数来表示；而比日更小的单位，即时，分，秒都是日的等分第92页/共102页第九十二页，共103页。真太阳时是以真太阳（太阳视圆面的中心）的周日视运动为依据建立的时间计量系统。真太阳连续两次通过上中天的时间间隔为一个真太阳日第93页/共102页第九十三页，共103页。由于地球在自转同时绕太阳公转，且公转速度并不均匀，这导致真太阳日与恒星日之间的差别不均匀。因此真太阳时不是均匀的时间系统，真太阳时有长有短，相差最大可达51秒平太阳时是真太阳时在一回归年中的平均，简称平时，是日常生活中使用的均匀时间。因此每天的太阳并不是在同一时刻升起和落下第94页/共102页第九十四页，共103页。历法:根据天文周期安排年、月、日的关系以平太阳日、朔望月、