第三章 地球运动(2012级用)

第一章地理坐标和天球(tiānqiú)坐标第二章地球的宇宙环境第三章地球的运动共八十三页§3.1地球的自转(zìzhuàn)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共八十三页§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(běnshēn)的旋转地轴共八十三页2、地球自转的证明(zhèngmíng)1）落体东偏AA'BB'C共八十三页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(dàtīng)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）超然于地球自转共八十三页摆锤——28kg摆长——67m摆的悬挂——摆动(bǎidòng)超然于地球自转共八十三页傅科摆偏转(piānzhuǎn)现象的解释共八十三页摆动(bǎidòng)平面的偏转角速度共八十三页共八十三页二、

地球自转(zìzhuàn)的规律1、地球自转的方向(fāngxiàng)2、地球自转的周期3、地球自转的速度共八十三页1、地球(dìqiú)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(běntǐ)的相互配置问题——极移（2）地轴空间指向的变化——地轴进动共八十三页（1）极移定义地轴在地球内部的位置变化(biànhuà)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共八十三页（2）地轴(dìzhóu)进动天极在天球上位置的变化（极移与进动）方向、周期、轨迹(guǐjì)（图）原因（图）表现（图）共八十三页

极移是地极的移动，不涉及天极在天球(tiānqiú)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(jìndònɡ)的比较共八十三页地轴进动的方向、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(zhǐxiànɡ)黄极；圆锥半径23

（黄赤交角）。共八十三页左图：陀螺的进动(jìndònɡ)（向东）右图：地球的进动（向西）地轴进动的原因地球形状(xíngzhuàn)黄赤交角地球自转共八十三页图力矩M1>M2，合力矩使地轴(dìzhóu)趋近黄轴共八十三页地轴进动的表现天极周期性运动，北极星变迁(biànqiān)；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）共八十三页图北极星随天北极移动(yídòng)而变迁共八十三页图二分二至点因地轴进动而在黄道上不断(bùduàn)西移（虚线表示旧天赤道，实线表示新天赤道）共八十三页2、地球自转的周期(zhōuqī)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分共八十三页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(xiǎoshí)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。共八十三页（2）太阳日

太阳连续两次在同地中天时间(shíjiān)，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

共八十三页

在一个恒星日内，地球(dìqiú)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(bǐjiào)共八十三页

在一个恒星日内，地球自转360°；在一个太阴日内，月球公转(gōngzhuàn)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(tàiyīn)日比较共八十三页2）真（视）太阳日长度的周年(zhōunián)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(guīlǜ)共八十三页黄赤交角——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(èrdào)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。共八十三页共八十三页共八十三页椭圆轨道——次要原因(yuányīn)

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。共八十三页（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(guǐdào)——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。共八十三页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(biǎoshì)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。共八十三页3、地球(dìqiú)自转速度1）角速度：15

/h2）线速度：V0＝2

R/T=465m/sV

V0

cos

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)：地球赤道半径共八十三页三、地球自转(zìzhuàn)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(guīlǜ)

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共八十三页

三、地球自转(zìzhuàn)的后果1、天体(tiāntǐ)的周日视运动共八十三页1、天体的周日(zhōurì)视运动1）原因：地球自转(zìzhuàn)的反映

共八十三页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(zhōngxīn)（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。共八十三页

周日运动的方向——

与地球自转(zìzhuàn)方向相反

周日圈——

与天赤道(chìdào)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共八十三页

2）不同纬度天体的周日运动恒显星、恒隐星和出没(chūmò)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。共八十三页②在赤道地平圈天赤道：仰极高度周日圈：与天赤道平行(píngxíng)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共八十三页不同(bùtónɡ)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(nánběi)天极周围有恒显星和恒隐星，天赤道南北(nánběi)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。共八十三页恒显星区：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(zhōurì)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

图共八十三页共八十三页3）几种(jǐzhǒnɡ)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）共八十三页NSQQ′天体(tiāntǐ)在天顶以南：Z=φ-δ天体在天顶以北：Z=δ-φ共八十三页ZZ′NSQQ′PP′共八十三页2、水平(shuǐpíng)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共八十三页§3.2地球(dìqiú)的公转共八十三页§3.2地球(dìqiú)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(jiàozuò)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。共八十三页

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(zhíxiàn)，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(zhíxiàn)的一半，都是恒星年视差。共八十三页恒星愈远，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：

D

1837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(xiàndài)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。共八十三页

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(chājù)为单位，则二者互为倒数。共八十三页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(yīdìng)的偏离，这就是恒星的光行差（aberration）位移。共八十三页

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(sùdù)：

=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

V共八十三页2）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(gōngzhuàn)中的多普勒效应地球轨道速度对星光频率的影响。共八十三页图周年视差（左）和光行差（右）的比较恒星年视差位置的偏离(piānlí)方向，二者有90

之差。共八十三页二、地球(dìqiú)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。共八十三页太阳在轨道(guǐdào)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(dìqiú)的近日点和远日点共八十三页图地球与地球共转轨道(guǐdào)面的交角6634′共八十三页图地球(dìqiú)的轨道面2）黄赤交角(jiāojiǎo)

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。共八十三页2、地球公转周期(zhōuqī)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日共八十三页3、地球公转(gōngzhuàn)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）共八十三页1、恒星周年(zhōunián)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(gōngzhuàn)后果共八十三页1）太阳的周年运动（1）原因(yuányīn)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(zhōunián)视运动图共八十三页共八十三页2）二十四节气和黄道(huángdào)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(shíèr)宫，分别以黄道十二(shíèr)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。

共八十三页共八十三页

节气歌春雨惊春清谷天，夏满芒夏暑相连(xiānɡlián)，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。共八十三页立春

theBeginningofSpring雨水

RainWater惊蛰(jīngzhé)

theWakingofInsects春分

theSpringEquinox清明

PureBrightness谷雨

GrainRain立夏

theBeginningofSummer小满

LesserFullnessofGrain芒种

GraininBeard夏至

theSummerSolstice小暑

LesserHeat大暑

GreaterHeat立秋

theBeginningofAutumn处暑(chǔshǔ)

theEndofHeat白露

WhiteDew秋分

theAutumnEquinox寒露

ColdDew霜降

Frost\'sDescent立冬

theBeginningofWinter小雪

LesserSnow大雪

GreaterSnow冬至

theWinterSolstice小寒

LesserCold大寒

GreaterCold共八十三页3、行星同太阳(tàiyáng)的会合运动1）行星相对于太阳的视运动（1）地内行星相对于太阳的视运动（2）地外行星行对于太阳的视运动（3）行星的会合周期2）行星相对于恒星的视运动（1）行星逆行的解释（2）行星留的解释2）相对(xiāngduì)于恒星共八十三页1）行星相对(xiāngduì)于太阳的视运动（1）地内行星相对于太阳的视运动上合——东大距——下合——西大距——上合出没(chūmò)：上合——不可见；东大距——可见时间最长；下合——不可见；昏星西大距——可见时间最长；上合——不可见；晨星水星：18～28°金星：45～48°东有“启明”，西有“长庚”上合东大距下合西大距共八十三页上合东大距下合西大距上合共八十三页（2）地外行星相对(xiāngduì)于太阳的视运动合——西方(xīfāng)照——冲——东方照——合出没：合——不可见；西方照——午夜升起；冲——整夜可见；东方照——午夜落下；合——不可见；太阳西侧太阳东侧共八十三页合西方(xīfāng)照冲东方(Dōngfāng)照合12345共八十三页（3）行星的会合(huìhé)周期定义行星的会合周期：行星相对于太阳的视运动是一种周期运动，这个周期就是行星的会合周期。地内（外）行星的会合周期：行星连续两次上合或下合（冲或合）的时间间隔。计算公式设E、P分别表示地球和行星的周期，S为会合周期。对于地内行星有：360

S

=360+

360

S

=

代入(1)，消去

，整理后，得：

1/S=1/P-1/E

同理，地外行星则有：

1/S=1/E-1/P周期相差(xiānɡchà)愈大，会合周期愈短；反之，则愈长。共八十三页

当行星位于P1，地球位于E1，是该行星第一次合日。地内行星的角速度远大于地球公转的角速度，当行星完成公转一周(yīzhōu)又继续运行到P2时，地球仅从E1公转到E2。这时，发生该行星的第二次合日。共八十三页2）行星(xíngxīng)相对于恒星的视运动

在通常情况下，行星在