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1、第三章 地球的运动East China Normal University 第六节 地球的自转 地球自转及证明 傅科摆q特征：摆长，锤重，持续时间长q偏转方向：北半球右偏，南半球左偏q偏转速度：因纬度而异， d/dt15sin/时 East China Normal University傅科摆的特点是绳长、锤重，使摆动能持续较长时间，并在沙盘上留下摆动的轨迹。图 3-1 傅科摆示意图East China Normal University图 3-2 傅科摆偏转速度图 3-3 在两极，傅科摆偏转最快（与地球自转角速度相同）；在赤道，偏转速度为零。East China Normal Univers
2、ity 地球自转的规律性 一、 地轴和极移 极移是地极的移动，不涉及天极在天球上位置的变化；进动造成天极的移动，不涉及地极在地面上的位置的变化图3-4 极移与进动的比较East China Normal UniversityEast China Normal University二、 地轴进动q地轴的一种圆锥运动v圆锥轴垂直于轨道平面，指向黄极；v圆锥半径23（黄赤交角）；v方向向西（与地球自转和公转方向相反）；v速度每年50；v周期25 800年。图 3-5 左：陀螺的进动（向东）右：地球的进动（向西）East China Normal Universityq地轴进动的原因v地球形状；v黄赤
3、交角；v地球自转。图 3-6 力矩 M1M2，合力矩使地轴趋近黄轴East China Normal UniversityEast China Normal Universityq地轴进动的表现v天极周期性运动；v北极星变迁；v赤道面（和天赤道）的系统的变化；v二分点沿黄道西移（交点退行） ；East China Normal Universityv使回归年小于恒星年（我国古称“岁差”）太阳巡天一周，有别于季节上的一周岁，差值为20 ；v春分点西移：赤道坐标系中：恒星赤经和赤纬都缓慢而持续变化；黄道坐标系中：春分点沿黄道西移，恒星黄经持续变化，黄纬不变。East China Normal Un
4、iversity 三、 地球自转的周期q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56 分v恒星日是同恒星时（春分点的时角）相联系的；v天文学以春分点定义恒星日；East China Normal Universityq太阳日：太阳连续两次在同地中天时间24小时00 分q太阴日：月球连续两次在同地中天时间24小时50 分q太阳日和太阴日不同，二者具有不同的速度 在一个恒星日内，地球自转360，在一个太阳日内，地球公转59，自转36059。这59的差值是地球公转造成的，使太阳日比恒星日约长4分。East China Normal University图
5、3-9(A)恒星日与太阳日比较 在一个恒星日内，地球自转360，在一个太阴日内，月球公转3138，地球自转37338，这1338的差值是月球公转造成的，使太阴日比恒星日长约54分。East China Normal University图3-9(B) 恒星日与太阴日比较East China Normal University四、 真（视）太阳日与平太阳日q视太阳日长度的季节变化q太阳每日赤经差v真（视）（视）太阳日：太阳日不同于恒星日，在于太阳每日赤经差因季节而变化；v平太阳日：真太阳日的全年平均值（作为时间单位）；East China Normal Universityv太阳周年运动向东，赤
6、经逐日递增，中天时刻逐减推迟，连续两次中天的时间间隔增长， 因而太阳日大于恒星日 ；v太阳每日赤经差因季节而异，视太阳长 度有季节变化。East China Normal Universityq太阳每日赤经差季节变化的主要原因是黄赤交角v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），因基圈不同，黄经不同于赤经；v冬夏二至（黄赤二道平行）赤经差最大，视太阳日最长；v春秋二分（二道交角最大）赤经差最小，视太阳日最短。East China Normal Universityq赤经差变化的次要原因是椭圆轨道v造成太阳每日黄经差本身的变化；由于日地距离的变化，地球公转速度
7、的不等；v近日点变化最快，视太阳日较长 ；v远日点变化最慢，视太阳日较短。East China Normal Universityq真太阳日长度受到黄赤交角和椭圆轨道两个因素的作用和干扰v真太阳日长度变化：二至最长，二分最短；v冬至略长于夏至（最长的视太阳日在冬至后） ；v秋分短于春分（最短的视太阳日在秋分前）。East China Normal University地球自转速度演示五、 地球自转速度q角速度：15/hq线速度：V02R/T=465m/sV V0 cosV0为赤道上的线速度V为纬度上的线速度T/s为地球自转周期R/m为赤道半径 地球自转的后果East China Normal
8、University一、 不同天体的周日运动q恒星周日运动的路线（周日圈），即各自所在的赤纬圈，都以南北天极为不动的中心q天和地的关系，犹如球面和球心的关系，周日运动的方向应同地球自转方向相反q恒星周日运动的周期和速度，如实反映了地球自转的周期和它的角速度East China Normal University二、 不同纬度的周日运动q恒显星、恒显区和恒显圈v恒显星：在北半球看来，天北极周围恒星永不落地平，这部分周日圈全部位于地平以上的恒星；v恒隐星：天南极周围恒星永不升起南方地平，这部分周日圈全部位于地平以下的恒星；v出没星：介于上述两部分星区之间的恒星，有东升西落，这部分周日圈与地平圈相交
9、的恒星；East China Normal University图3-14 不同纬度的天球周日运动 （左）：在北极，只有恒显星和恒隐星，而无出没星；周日圈平行于地平圈。（中）：在赤道，只有出没星，而无恒显星和恒隐星；周日圈垂直于地平圈。（右）：在北半球某纬度，南北天极周围有恒显星和恒隐星，天赤道南北是出没星。北天恒星在地平以上的时间较长，南天恒星反之。周日圈倾斜与地平圈，倾角为当地余纬（90-）。East China Normal Universityv恒显星区：恒显星在天球上的赤纬范围；v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：周日圈
10、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=90East China Normal University三、 水平运动偏转q偏转方向：北半球偏右，南半球偏左q科里奥利力（地转偏向力） F Vmsinq科里奥利力只改变运动方向，不改变速率q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 第七节 地球的公转East China Normal University地球公转及其证明一、 恒星周年视差q恒星年视差v地球轨道位置对恒星视位置的影响；v当日地连线垂直星地连线时，视差位移达最大
11、值（每年二次），为该恒星年视差大小；East China Normal Universityv恒星愈远，其年视差愈小（比邻星年视差为0.76 ） ；v恒星年视差的角秒值，与恒星距离的秒差距互为倒数：DEast China Normal University二、 光行差q光行差是地球轨道速度对于光速的影响。地球向某一恒星接近，在相互关系上，也可以看作该恒星向地球接近q在地球上的观测者看来，来自恒星的光线，既以每秒300 000千米的速率投向地球，同时，又以每秒30千米的速率作平行于轨道面的运动。这样，地球上所看到的星光的视方向，实际上是这两种运动的合成方向，因而不同于星光的真方向。视方向与真方向
12、之间存在着一定的偏离，这就是恒星的光行差位移 V 雨中奔跑的行人，跑得愈快，雨伞愈应向前方倾斜。与此类似的，地球的轨道速度： = 30 km/s星光光速： V = 300 000 km/s 则：tan = 20.47 这个角度为光行差常数。East China Normal University图3-18 光行差与雨行差示意图East China Normal University图3-19 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
13、）。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。East China Normal Universityq年视差和光行差比较v黄纬愈高，年视差椭圆的偏心率愈小；v恒星年视差沿轨道半径方向偏离其平均位置；v恒星光行差则沿轨道切线方向偏离其真位置。q多普勒效应v地球轨道速度对星光频率的影响。East China Normal University图3-21 地球与地球共转轨道面的交角6634East China Normal University地球公转的规律性一、 地球轨道q轨道形状：椭圆v轨道半长轴（a）
14、：149 600 000km；v轨道半短轴（b）：149 580 000km；v半焦距（c）：2 500 000km；v周长（l）：940 000 000km；v偏心率（e）：0.016；v扁 率 （f）：7 000。East China Normal Universityq太阳在轨道中的位置：两焦点之一v近日点（地球一月初经过） ：147 100 000km；v远日点（地球七月初经过） ：152 100 000km。图3-22 地球的近日点和远日点图3-23 地球的轨道面二、 黄赤交角East China Normal UniversityEast China Normal Universi
15、ty三、 地球公转周期q恒星年：以恒星为参考点，无明显自行，365.256 4日q回归年：以春分点为参考点，每年西移50 ，小于恒星年，365.242 2日q近点年：以近日点为参考点，每年东移11 ，大于恒星年，365.259 6日q交点年：以黄白交点为参考点，每年西移20 ，小于恒星年， 346.620 0日East China Normal University四、 地球公转速度q角速度：平均每日59（因距离而变化）q线速度：平均每秒30km（因距离而变化）q面速度：不变（开普勒第二定律）一、 恒星周年视差二、 太阳周年运动q二十四气q十二宫q二分点、二至点地球公转后果East China
16、 Normal UniversityEast China Normal University三、 行星同太阳的会合运动q会合周期：v设E、P分别表示地球和行星的周期，S为会合周期。便有： 360S = 360 + 3- 360S = 3- 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/PEast China Normal Universityv周期相差愈大，会合周期愈短；反之，则愈长。q行星同太阳相对位置的变化v地内行星：上合、下合和东西大距；v地外行星：合日、冲日和东西方照。v行星的逆行：地内行星在下合前后逆行；地外行星在冲日前后逆行。 行星相对于恒星的运动。通常行星在恒星间自西向东运行，叫顺行。当行星在其轨道上接近地球时，即下合前后的地内行星和冲日前后的地外行星，在天球上转变为向西运行，叫逆行；经短暂时间后又恢复顺行。East China Normal University图3-29 行星的逆行East China Normal University图3-30 恒星月与朔望月的比较四、 月球同太阳的会合运动q类似于地外行星q同月相变化相联系q朔望（合和冲） q上下弦（东西方照） q始终向东q没有逆行q会合周期（朔望月）：1/S = 1/M-1/E East China Normal University
