地球概論第3章地球的運(yùn)動(dòng).ppt

1、第三章 地球的運(yùn)動(dòng),地球的自轉(zhuǎn) 地球自轉(zhuǎn)及其證明：傅科擺實(shí)驗(yàn) 地球自轉(zhuǎn)的規(guī)律性：極移、進(jìn)動(dòng)，地球自轉(zhuǎn)的周期、速度，真太陽(yáng)日與平太陽(yáng)日 地球自轉(zhuǎn)的后果：天體的周日運(yùn)動(dòng)，水平運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn) 地球的公轉(zhuǎn) 地球公轉(zhuǎn)及其證明：恒星周年視差、光行差、多普勒效應(yīng) 地球公轉(zhuǎn)的規(guī)律性：公轉(zhuǎn)軌道、周期、速度 地球公轉(zhuǎn)的后果：恒星周年視差，太陽(yáng)周年運(yùn)動(dòng)，行星同太陽(yáng)的會(huì)合運(yùn)動(dòng)，月球同太陽(yáng)的會(huì)合運(yùn)動(dòng),第六節(jié) 地球的自轉(zhuǎn) 地球自轉(zhuǎn)及證明 一、傅科擺實(shí)驗(yàn) 北半球?yàn)轫槙r(shí)針偏轉(zhuǎn)，證明了地球自轉(zhuǎn)的為逆時(shí)針（向東）方向； 偏轉(zhuǎn)速度為sin15/ h，在兩極，傅科擺偏轉(zhuǎn)速度最大，等于地球自轉(zhuǎn)的角速度；（30N，=7.5/ h） 證明了地

2、球自轉(zhuǎn)的周期,傅科擺的特點(diǎn)是繩長(zhǎng)、錘重，使擺動(dòng)能持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，并在沙盤(pán)上留下擺動(dòng)的軌跡。,圖 3-1 傅科擺示意圖,該傅科擺是一個(gè)鍍金球體,球內(nèi)裝有一些銅,球體由一根不銹鋼絲從75英尺高的天花板上懸吊下來(lái)。萬(wàn)向接頭使它可以自由地朝任何方向擺動(dòng)。傅科擺下方的電磁鐵抵銷了空氣摩擦力,使擺可以持續(xù)地均勻擺動(dòng)。由于地球的自轉(zhuǎn), 擺在一天中擺動(dòng)的方向似乎會(huì)變化。這個(gè)球體需要36小時(shí)45分鐘才能完成一個(gè)周期。,圖3-2 聯(lián)合國(guó)總部的傅科擺,二、落體偏東：高空下落的物體，由于原來(lái)的自轉(zhuǎn)線速度大于地面，因而有趨前（即偏東）的現(xiàn)象。（在很深的礦井中做實(shí)驗(yàn)） 三、水平運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)：北半球向右，南半球向左 四、天體的

3、周日視運(yùn)動(dòng)：自東向西,圖3-3 落體偏東 由地面上A點(diǎn)自由下落的物體，在地球不自轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)落到a點(diǎn)；在地球自轉(zhuǎn)時(shí)，由于A點(diǎn)的初速度大于a點(diǎn)的初速度，物體落到地面時(shí)，a點(diǎn)轉(zhuǎn)到a點(diǎn)，A點(diǎn)下落的物體的落點(diǎn)超前于a，到達(dá)a”點(diǎn)，a”在a的東邊，即“落體偏東”。,地極：地球瞬時(shí)自轉(zhuǎn)軸與地球表面的交點(diǎn)。 CIO（國(guó)際習(xí)用原點(diǎn)）：統(tǒng)一的地極坐標(biāo)原點(diǎn) 極移（polar motion） 定義：地球瞬時(shí)自轉(zhuǎn)軸在地球本體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。（或南北兩極在地面上的移動(dòng)） 原理：地球內(nèi)部物質(zhì)不均勻性，不規(guī)則橢球體造成。,地球自轉(zhuǎn)的規(guī)律性 一、 地軸和極移,極移特征：南北兩極在地面上的移動(dòng)，極移范圍不超過(guò)0.4，15米 極移周期：包

4、括14個(gè)月的周期，1年為周期的受迫擺動(dòng)（主要成分） 結(jié)果：各地經(jīng)緯度變化，不造成天北極在天球上的變化。,極移是地極的移動(dòng)，不涉及天極在天球上位置的變化；進(jìn)動(dòng)造成天極的移動(dòng)，不涉及地極在地面上的位置的變化,圖3-4 極移與進(jìn)動(dòng)的比較,二、 地軸進(jìn)動(dòng)（歲差：Precession） 定義：在外力作用下，地軸繞黃軸的緩慢的周期性的圓錐形運(yùn)動(dòng)，引起了春分點(diǎn)位置沿黃道的西退和天北極位置在星空中的變遷。 （或地軸繞黃軸的圓錐形運(yùn)動(dòng)）,地軸的一種圓錐運(yùn)動(dòng) 圓錐軸垂直于軌道平面，指向黃極； 圓錐半徑23（黃赤交角）； 方向向西（與地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)方向相反）； 速度每年50（主要為日月歲差，還有行星歲差） ； 周期

5、25 800年。,圖 3-5 左：陀螺的進(jìn)動(dòng)（向東） 右：地球的進(jìn)動(dòng)（向西）,地軸進(jìn)動(dòng)的原因 地球形狀； 黃赤交角； 地球自轉(zhuǎn)。,圖 3-6 力矩 M1M2，合力矩使地軸趨近黃軸,地軸進(jìn)動(dòng)的表現(xiàn) 天極周期性運(yùn)動(dòng)； 北極星變遷； 赤道面（和天赤道）的系統(tǒng)的變化； 二分點(diǎn)沿黃道西移（交點(diǎn)退行） ；,圖3-7 北極星的變遷,使回歸年小于恒星年（我國(guó)古稱“歲差”）太陽(yáng)巡天一周，有別于季節(jié)上的一周歲，差值為20 ； 春分點(diǎn)西移： 赤道坐標(biāo)系中：恒星赤經(jīng)和赤緯都緩慢而持續(xù)變化； 黃道坐標(biāo)系中：春分點(diǎn)沿黃道西移，恒星黃經(jīng)持續(xù)變化，黃緯不變。,三、 地球自轉(zhuǎn)的周期 恒星日：同一恒星連續(xù)兩次在同地中天的時(shí)間，地

6、球自轉(zhuǎn)的真正周期（有細(xì)微差別），23小時(shí)56 分 恒星日是同恒星時(shí)（春分點(diǎn)的時(shí)角）相聯(lián)系的； 天文學(xué)以春分點(diǎn)定義恒星日；,太陽(yáng)日：太陽(yáng)連續(xù)兩次在同地中天時(shí)間 24小時(shí)00 分 太陰日：月球連續(xù)兩次在同地中天時(shí)間 24小時(shí)50 分 太陽(yáng)日和太陰日不同，二者具有不同的速度,圖3-8 太陽(yáng)日與恒星日,在一個(gè)恒星日內(nèi)，地球自轉(zhuǎn)360，在一個(gè)太陽(yáng)日內(nèi)，地球公轉(zhuǎn)59，自轉(zhuǎn)36059。這59的差值是地球公轉(zhuǎn)造成的，使太陽(yáng)日比恒星日約長(zhǎng)4分。,圖 3-9(A)恒星日與太陽(yáng)日比較,在一個(gè)恒星日內(nèi)，地球自轉(zhuǎn)360，在一個(gè)太陰日內(nèi)，月球公轉(zhuǎn)3138，地球自轉(zhuǎn)37338，這1338的差值是月球公轉(zhuǎn)造成的，使太陰日比恒

7、星日長(zhǎng)約54分。,圖3-9(B) 恒星日與太陰日比較,四、地球自轉(zhuǎn)的速度 角速度：除極地為0外，全球相等。 線速度：隨緯度增大而減小，隨高度增大而增大。 地球自轉(zhuǎn)速度的變化： 長(zhǎng)期變慢 季節(jié)變化 不規(guī)則變化,圖3-10 地球自轉(zhuǎn)速度演示,角速度：15/h 線速度： V02R/T=465m/s V V0 cos V0為赤道上的線速度 V為緯度上的線速度 T/s為地球自轉(zhuǎn)周期 R/m為赤道半徑,地球自轉(zhuǎn)的后果,一、 不同天體的周日運(yùn)動(dòng) 恒星周日運(yùn)動(dòng)的路線（周日圈），即各自所在的赤緯圈，都以南北天極為不動(dòng)的中心 天和地的關(guān)系，猶如球面和球心的關(guān)系，周日運(yùn)動(dòng)的方向應(yīng)同地球自轉(zhuǎn)方向相反 恒星周日運(yùn)動(dòng)的周

8、期和速度，如實(shí)反映了地球自轉(zhuǎn)的周期和它的角速度,二、 不同緯度的周日運(yùn)動(dòng) 恒顯星、恒顯區(qū)和恒顯圈 恒顯星：在北半球看來(lái)，天北極周圍恒星永不落地平，這部分周日圈全部位于地平以上的恒星； 恒隱星：天南極周圍恒星永不升起南方地平，這部分周日圈全部位于地平以下的恒星； 出沒(méi)星：介于上述兩部分星區(qū)之間的恒星，有東升西落，這部分周日圈與地平圈相交的恒星；,圖3-11 不同緯度的天球周日運(yùn)動(dòng),（左）：在北極，只有恒顯星和恒隱星，而無(wú)出沒(méi)星；周日圈平行于地平圈。（中）：在赤道，只有出沒(méi)星，而無(wú)恒顯星和恒隱星；周日圈垂直于地平圈。（右）：在北半球某緯度，南北天極周圍有恒顯星和恒隱星，天赤道南北是出沒(méi)星。北天恒星

9、在地平以上的時(shí)間較長(zhǎng)，南天恒星反之。周日圈傾斜與地平圈，傾角為當(dāng)?shù)赜嗑暎?0-）。,恒顯星區(qū)：恒顯星在天球上的赤緯范圍； 恒顯圈：恒顯星區(qū)的界線，即在北點(diǎn)與地平圈相切的赤緯圈。 緯度越高，恒顯（隱）星區(qū)愈大，出沒(méi)星區(qū)愈?。褐苋杖εc地平的交角愈小； 緯度越低，恒顯（隱）區(qū)愈小，出沒(méi)區(qū)愈大：周日圈與地平的交角愈大。 恒顯（隱）圈的仰（俯）極距= 出沒(méi)星區(qū)寬度=2(90 周日圈與地平交角=90,三、 水平運(yùn)動(dòng)偏轉(zhuǎn) 偏轉(zhuǎn)方向：北半球偏右，南半球偏左 科里奧利力（地轉(zhuǎn)偏向力） F Vmsin 科里奧利力只改變運(yùn)動(dòng)方向，不改變速率 影響地球大氣環(huán)流，對(duì)形成行星風(fēng)帶、天氣系統(tǒng)和洋流有重要作用,第七節(jié) 地球的

10、公轉(zhuǎn),地球公轉(zhuǎn)及其證明 一、 恒星周年視差 恒星年視差 地球軌道位置對(duì)恒星視位置的影響； 當(dāng)日地連線垂直星地連線時(shí)，視差位移達(dá)最大值（每年二次），為該恒星年視差大小。,圖3-12（上） 恒星年視差,當(dāng)?shù)厍蜍壍腊霃酱怪庇谛堑剡B線時(shí)，同一恒星的視差位移達(dá)極大，被稱為該恒星的年視差。,圖3-12 （下）恒星年視差,恒星愈遠(yuǎn)，其年視差愈?。ū揉徯悄暌暡顬?.76 ） ； 恒星年視差的角秒值，與恒星距離的秒差距互為倒數(shù)：D,恒星愈遠(yuǎn)，其年視差愈小。若年視差以角秒為單位，距離以秒差距為單位，則二者互為倒數(shù)。,圖3-13 恒星年視差與恒星距離,橢圓的偏心率因黃緯而不同：在黃極是正圓，在黃道是一直線，其余都是

11、橢圓。不論偏心率大小如何，圓的半徑，橢圓的半長(zhǎng)軸和直線的一半，都是恒星年視差。,圖3-14 恒星年視差橢圓,恒星愈遠(yuǎn)，其年視差愈小（比鄰星年視差為0.76 ） ； 恒星年視差的角秒值，與恒星距離的秒差距互為倒數(shù)：D,二、 光行差 光行差是由于地球軌道速度對(duì)于光速的影響，使星光視方向與真方向之間存在著一定的偏離，這就是恒星的光行差位移。 地球向某一恒星接近，在相互關(guān)系上，也可以看作該恒星向地球接近。在地球上的觀測(cè)者看來(lái)，來(lái)自恒星的光線，既以每秒300 000千米的速率投向地球，同時(shí)，又以每秒30千米的速率作平行于軌道面的運(yùn)動(dòng)。這樣，地球上所看到的星光的視方向，實(shí)際上是這兩種運(yùn)動(dòng)的合成方向，因而不

12、同于星光的真方向。,雨中奔跑的行人，跑得愈快，雨傘愈應(yīng)向前方傾斜。與此類似的，地球的軌道速度： = 30 km/s 星光光速： V = 300 000 km/s 則： tan = 30/300 000 = 0.0001 = 20.47 這個(gè)角度為光行差常數(shù)。,圖3-15 光行差與雨行差示意圖,圖3-16 光行差 由于地球軌道速度對(duì)于光速的影響，使星光視方向與真方向之間存在著一定的偏離，這就是恒星的光行差位移。,圖3-17 光行差橢圓,地球公轉(zhuǎn)以一年為周期，恒星視位置繞轉(zhuǎn)其真位置也以一年為周期，恒星視位置的繞轉(zhuǎn)路線，被叫做光行差軌道，其形狀則因恒星的黃緯而不同。在南北黃極，光行差軌道是半徑為20

13、 的橢圓 （與地球軌道形狀相同）。在黃道上，變成長(zhǎng)度為20 2的一段直線。在其他黃緯，光行差軌道都是半長(zhǎng)軸為20的橢圓：愈近黃極，橢圓扁率愈?。挥S道，橢圓扁率愈大。,年視差和光行差比較 黃緯愈高，年視差橢圓的偏心率愈??； 恒星年視差沿軌道半徑方向偏離其平均位置； 恒星光行差則沿軌道切線方向偏離其真位置。 三、多普勒效應(yīng) 地球軌道速度對(duì)星光頻率的影響。,圖3-18 年視差（左）和光行差（右）的比較 恒星年視差位置的偏離方向，二者有90之差。,圖3-19 地球與地球共轉(zhuǎn)軌道面的交角,6634,地球公轉(zhuǎn)的規(guī)律性 一、 地球軌道 軌道形狀：橢圓 軌道半長(zhǎng)軸（a）：149 600 000km； 軌道

14、半短軸（b）：149 580 000km； 半焦距（c）：2 500 000km； 周長(zhǎng)（l）：940 000 000km； 偏心率（e）：0.016； 扁 率 （f）：7 000。,相關(guān)概念 偏心率（c/a）， 扁率（f=(a-b)/c）, 天文單位（軌道半長(zhǎng)軸）， 中距點(diǎn)（地球軌道短軸的兩端，地球4月初和10月初過(guò)中距點(diǎn)）， 近日點(diǎn)與遠(yuǎn)日點(diǎn)（分別位于長(zhǎng)軸的兩端，地球1月初歸近日點(diǎn)，7月初過(guò)遠(yuǎn)日點(diǎn)）,太陽(yáng)在軌道中的位置：兩焦點(diǎn)之一 近日點(diǎn)（地球一月初經(jīng)過(guò)） ： 147 100 000km； 遠(yuǎn)日點(diǎn)（地球七月初經(jīng)過(guò)） ： 152 100 000km。,圖3-20 地球的近日點(diǎn)和遠(yuǎn)日點(diǎn),圖3-2

15、1 地球的軌道面,二、 黃赤交角,三、地球公轉(zhuǎn)的周期,恒星年，地球公轉(zhuǎn)真正周期；回歸年，季節(jié)變化周期；近點(diǎn)年和交點(diǎn)年均與日月食發(fā)生有關(guān)。 參考點(diǎn)自東向西移動(dòng)，對(duì)應(yīng)周期縮短，如回歸年、食年；參考點(diǎn)自西向東移動(dòng)，對(duì)應(yīng)周期加長(zhǎng)，如近點(diǎn)年。,圖3-22 四種年的比較,四、 地球公轉(zhuǎn)速度 角速度：平均每日59（因距離而變化） 線速度：平均每秒30km（因距離而變化） 面速度：不變（開(kāi)普勒第二定律）,一、 恒星周年視差 二、 太陽(yáng)周年運(yùn)動(dòng) 二十四氣 我國(guó)古代把黃道按黃經(jīng)等分為24個(gè)弧段。從太陽(yáng)黃經(jīng)270冬至起，每段跨黃經(jīng)15。太陽(yáng)在黃道上視行通過(guò)這二十四等分點(diǎn)的日期時(shí)刻，結(jié)合地面上的物候氣候的特征給以專名

16、，形成二十四節(jié)氣。在二十四節(jié)氣中，逢單數(shù)的叫節(jié)氣，逢雙數(shù)的叫中氣。 黃道十二宮 西方的天文學(xué)家把黃道按黃經(jīng)等分成12個(gè)弧段，叫做黃道十二宮，每宮跨黃經(jīng)30。名稱來(lái)源于它們幾千年前所在的星座。 二分點(diǎn)、二至點(diǎn),地球公轉(zhuǎn)后果,二十四氣表,二十四氣表 （續(xù)）,圖3-25 一年的不同時(shí)間在地球上能看到的星座,圖3-26 黃道十二宮與星座間的關(guān)系,三、 行星同太陽(yáng)的會(huì)合運(yùn)動(dòng) 行星同太陽(yáng)的會(huì)合運(yùn)動(dòng)：太陽(yáng)和行星都在天球上沿黃道帶（黃道南北8的球帶）運(yùn)動(dòng)，由于它們的周期和角速度各不相同，因而彼此間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)，叫做行星同太陽(yáng)的會(huì)合運(yùn)動(dòng)（又叫行星的動(dòng)態(tài) ) 行星與太陽(yáng)的會(huì)合運(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì)是行星同地球的

17、會(huì)合運(yùn)動(dòng),會(huì)合周期： 設(shè)E、P分別表示地球和行星的周期，S為會(huì)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，地外行星則有： 1/S= 1/ E - 1/P 周期相差愈大，會(huì)合周期愈短；反之，則愈長(zhǎng)。,圖3-27 會(huì)合速度 角速度是周期的倒數(shù)。行星與地球的會(huì)合速度（1/S），就是二者的角速度（1/P和1/E）之差。 左圖：地內(nèi)行星 右圖：地外行星,行星同太陽(yáng)相對(duì)位置的變化 地內(nèi)行星： 上合東大距下合西大距上合 行星與太陽(yáng)的距角（或黃經(jīng)差）在0大距之間變化 金星的位相 地外行星： 合西方照沖東方照上合 行

18、星與太陽(yáng)的距角（或黃經(jīng)差）在0360之間變化,圖3-28 行星的會(huì)合運(yùn)動(dòng)(假定地球不動(dòng)) 左圖：地內(nèi)行星 右圖：地外行星,圖3-29 行星的會(huì)合運(yùn)動(dòng)（地球和行星同時(shí)運(yùn)動(dòng)） 左圖：地內(nèi)行星 右圖：地外行星,行星相對(duì)于恒星的視運(yùn)動(dòng) 順行：行星相對(duì)于恒星向東運(yùn)動(dòng)。 逆行：行星相對(duì)于恒星向西運(yùn)動(dòng)。 地內(nèi)行星在下合前后逆行； 地外行星在沖日前后逆行。 留：順行與逆行的轉(zhuǎn)折處，留時(shí)，行星的視位置保持不動(dòng)。 行星的順行、逆行是周期性的，其周期等同于上述的會(huì)合周期。,圖3-40 行星的逆行 左圖：地內(nèi)行星； 右圖：地外行星,圖3-41 地內(nèi)行星留的解釋 地內(nèi)行星在東大距以后和西大距以前，地外行星在西方照以后和東方照以前，都要通過(guò)留。,行星的逆行,圖3-42 火星相對(duì)于恒星的視運(yùn)動(dòng),在一個(gè)會(huì)合周期里，行星的動(dòng)態(tài) 地內(nèi)行星： 上合東大距留下合留西大距上合