第三章地球的运动

1、第三章 地球的运动教学目的： 1、掌握：地球的自转：地球自转的证明（主要掌握傅科摆证明）；地球自转的规律：主要掌握自转的周期（三种周期的关系）及自转的速度（方向、速度）；地球自转的后果：主要掌握不同天体的周日运动和地球上水平运动的偏向，恒显星、恒隐星、出没星及三种星区的计算。地球的公转：地球公转的证明：恒星的周年视差、恒星的光行差；地球公转的规律：公转轨道、公转周期、公转速度；公转的后果：恒星的周年视差、太阳周年运动、行星同太阳的会合运动、月球同太阳的会合运动，行星会合周期的计算。2、理解：恒星日、太阳日、太阴日、恒星年、回归年、近点年、食年、岁差、黄赤交角、黄白交角、恒显星、恒隐星、出没星、

2、恒星周年视差、太阳周年运动、傅科摆偏转速度公式。3、了解：傅科摆偏转速度公式的推导，视太阳日的长度及变化，不同天体的周日运动的演示实验，黄道十二宫及来历。 教学重点：地球自转的周期、速度、方向、天体的周日运动、地球水平运动的偏向；地球公转的轨道、周期、速度。教学难点： 用傅科摆证明地球自转，地球自转的三种周期及其他们的区别、地球自转的速度、不同纬度天体的周日运动，地球水平运动的偏向。地球公转的轨道、周期、速度。恒星的三种星区范围的计算，行星会合周期的计算。教具准备： 地球仪、直尺、圆规、教学挂图、幻灯机、幻灯片。教学课时：18课时教材分析： 本章教材的核心是地球的自转和公转，本章内容

3、比较抽象难懂，关键是建立地球自转和公转的空间概念，主要掌握地球自转和公转的规律，及其产生的后果。因此本章内容关键在于如何帮助学生正确地理解有关概念；逐步培养学生的观察能力、想象能力和空间思维能力，为使学生逐步形成有关物质运动的辩证唯物主义观点奠定基础；为了达到教学目的，在教学过程中要加强学生的实践活动，多利用教具和挂图，演示地球的自转和公转运动，使学生从观察入手，步步深入地理解有关地球运动的知识极其知识间的联系，同时培养学生的能力，积极引导学生观察、思考，进行灵活多样的练习，充分调动学生的积极性和主动性。教学方法：讲授法、谈话法兼讨论法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

4、含义:地球绕自身轴线的旋转运动方向: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”。地球自转的证明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”，其特征为：A.摆长（67m

5、）增加摆动的振幅和周期、减慢摆动速度以减小空气阻力B.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C.特殊悬挂装置（万向节）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。傅科摆偏转的规律性：A偏转角速度：与纬度的正弦成正比设傅科摆在A地开始摆动时摆动平面与A地经线的切线（AP）重合，经若干时间（t）后，因地球自转，傅科摆随地球自转到达A点，这时原经线的切线（AP）方向在空间的指向也发生了变化，变为AP方向（与AP方向的夹角为）。但因摆动平面不受地球自转牵连及其保持运动惯性

6、之故，其空间方向保持不变，即AP方向（与AP方向平行）。这样，摆动平面AP就与A点经线的切线方向（AP）产生了偏角（），于是：由此可见，纬度越高偏转角速度越大：极点最大，每小时15°；赤道最小，无偏转。B偏转方向：北半球顺时针偏转（右偏），南半球逆时针偏转（左偏）傅科摆偏转是地球自转最雄辩和最直观的证据。落地偏东深井测量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: 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

7、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）；

8、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极移的振幅：0.5"或15m极移的原因和周期：自由摆动：自转轴对于惯性轴的偏离，周期为14个月受迫摆动：大气运行的季节性，周期为12个月极移的影响和观测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39°08N附近，国际上1899年（我国1964年）便开始设站观测极移现象。2地轴进动天极在天球上的移动进动进动，在物理学中，是指转动物体的转

9、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。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。地轴进动的特征圆锥形运动的圆锥轴线为黄轴。圆锥半径为23°26，就是黄赤交角。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”。进动的速度是每年50.29"，周期为25800年。地轴进动的原理地球是一个椭球体，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。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

10、用是把赤道面“拉”回黄道面，地轴趋近黄轴。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。地球进动的表现天极的周期性运动和北极星的变迁。北半球看，北天极以黄北极为中心，以23°26为半径，由东向西作圆运动，速度每年50.29"，历25800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：3000B.C，是右枢（天龙座），现在是勾陈一（小熊座），到13600A.D，织女星（天琴座）将成为北极星。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，

11、从而使赤道面与黄道的交点（二分点）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”。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”。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

12、，太阳日和太阴日。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。地球自转的真正周期，即地球自转过360°所经历的时间，是恒星日，其原因是恒星被视为天球上的定点，而太阳和月球都不是天球的定点。天文学上，为了与恒星时相适应，定义恒星日不是用某个恒星，而是春分点。太阳日和太阴日比恒星日长，直接原因是：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，

13、地球自转了373°38。太阳日和太阴日比恒星日长，本质原因是：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真太阳日和平太阳日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（视太阳日）。真太阳日的全年平均值，称为平太阳日（平均太阳日）。太阳每日赤经差季节变化的原因黄赤交角的存在地球公转引起的太阳视位置的差异，

14、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：A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。B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。地球的椭圆轨道地球沿椭圆轨道绕太阳运行

15、，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。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地球自转的速度角速度地球各部分都有相同的自转角速度。地球自转角速度平均每小时15°，或每分

16、15，每秒15"（恒星时）；如换成平太阳时，就为15°26"/h。线速度地球自转的线速度因纬度和高度而不同。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：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。地球自转速度存在长期变化、季节变化和不规则变化。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。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2525ms；半周年变化是大

17、气潮汐引起的，振幅为9ms。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天球的周日运动不同天体的周日运动恒星的周日运动A地球自转的单纯反映B恒星周日运动的路线，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。C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。D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。太阳和月球的周日运动A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。B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

18、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。C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。不同纬度的周日运动（北半球为例）恒显星、恒显星区和恒显圈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，即恒显星区的界线，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。恒隐星、恒隐星区和恒隐圈A恒隐星是指周日圈全部位于地平圈以下，

19、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。出没星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。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；纬度越代，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。2以太阳日为周期的昼夜交替不透明的地球在太阳光的照射下，一半为白昼，一半为

20、黑夜，昼半于与夜半球之间的分界线称为晨昏线。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。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。3地球坐标的确定地球坐标的确定，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。4水平运动的偏转造成地表水平运动方向偏转的原因地球上的方向都以经线和纬

21、线为准，而经线和纬线因地球自转而不变改变空间方向。水平运动的物体由于惯性而保持速率和方向不变。水平运动方向偏转的规律性由于地球自转，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。地转偏向力按惯性定律，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。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

22、，其大小随纬度和物体运动速度而定：地转偏向力的存在，对许多地理事象产生了深远的影响。第二节 地球的公转一、地球公转及其证明1.公转的定义与方向地球绕太阳的运动，称为地球的公转。严格地说，地球公转所环绕的中心不是太阳，而是太阳和地球的共同质心；同时，也不是地球单方面的绕转，而是地球和太阳共同环绕其共同质心绕转。但由于太阳质量远远大于地球，使二者的共同质心距离太阳中心仅约450Km。这一距离相对于太阳半径来说，微乎其微，因此常认为地球公转就是地球单纯绕太阳的运动。地球公转的方向与其自转方向相同。2地球公转的证明能证明地转在公转的物理证据，主要有恒星周年视差、光行差和多普勒效应。恒星周年视差视差位移

23、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。恒星的视差位移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。恒星周年视差椭圆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。恒星周年视差的大小地球上观测到的恒星实

24、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。恒星年视差既是天球上的一段弧（视差椭圆的半长轴），也是地球轨道半径相对于恒星所张的一个角（）。其与地球轨道半径，恒星距离（D）之间的关系为：日地平均距离不变，所以恒星年视差的大小取决于恒星的距离：距离愈远，年视差愈小。所以恒星年视差的测定，也成为测定恒星距离的基本手段。很小，其正弦值近似等于其弧度值，即，于是：1弧度=360°/2=57.3°=3438=206265"。所

25、以，式中的若以角秒表示，并记作"时，则得：如恒星的周年视差为1秒（"=1），那么：该恒星的距离被称作1秒差距，意即周年视差为1"的恒星的距离，用符号PC表示。用秒差距作为恒星距离单位，优点在于，它把恒星的距离同年视差直接联系起来：恒星距离的秒差距数与其周年视差的角秒值互为倒数。光行差恒星的光行差是指由于地球的公转运动，使地球观察者看到恒星的视方向与其真方向产生的差角（用K表示）。恒星的光行差是一个常数（K=20.49"），与恒星的距离无关。光行差椭圆地球公转以一年为周期，恒星视位置绕转其真位置也以一年为周期，恒星视位置的绕转路线，被叫做光行差轨道，其形状

26、则因恒星的黄纬而不同。在南北黄极，光行差轨道是半径为20" 的椭圆 （与地球轨道形状相同）。在黄道上，变成长度为20" ´ 2的一段直线。在其他黄纬，光行差轨道都是半长轴为20的椭圆：愈近黄极，椭圆扁率愈小；愈近黄道，椭圆扁率愈大。恒星光行差与其视差位移的方向区别在半年间，恒星视差位移与地球在轨道上的空间位移相互平行，方向相反；而光行差位移的方向则与地球的空间位移方向相互垂直。多普勒效应地球绕太阳公转，使地球于恒星发生相对运动。对于特定的时间来说，地球向一部分恒星接近，而从另一部分恒星离开；对于特定的恒星来说，地球半年向它接近，半年从它离开。总之，地球公转使恒星谱

27、线以一年为周期，交互发生紫移和红移。这是多普勒效应在地球公转中的表现。二、地球公转的规律性1公转轨道 轨道形状：椭圆 半长轴（a）：1.496亿km半短轴（b）：1.4958亿km半焦距（c）：250万km周长（l）：9.4亿km 偏心率：e=c/a=0.0167 扁 率 ：f= a-b/a=1/7000 轨道半长轴：1.496亿km 太阳在轨道中的位置：两焦点之一 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。2黄赤交角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，

28、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。3公转周期  恒星年：地球公转连续两次经过同一颗恒星的时间间隔，其值为：365.2564日；回归年：地球公转连续两次经过春分点的时间间隔，其值为：3365.2422日；近点年：地球公转连续两次经过近日点的时间间隔，其值为：365.2596日；交点年：地球公转连续两次经过黄白交点之一的时间间隔，其值为：346.6220日；4地球公转速度角速度：平均每日59¢（因距离而变化）线速度：平均每秒30公里（因距

29、离而变化）面速度：不变（开普勒第二定律）三、地球公转的地理效应1太阳周年（视）运动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。太阳在黄道上的不同位置，真实地反映了地球的轨道位置。双鱼白羊到金牛，双子巨蟹狮子头，室女天秤天蝎尾，人马摩羯宝瓶收。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。太阳周年运动的方向太阳周年运动的角速度太阳周年运动的周期 2行星同太阳的会合运动会合运动的概念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。行星合日和冲日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。会合运动的周期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