2第一章宇宙中的地球

1、第一章第一章 宇宙中的地球宇宙中的地球 第一節(jié)第一節(jié) 宇宙宇宙 第二節(jié)第二節(jié) 銀河系與太陽系銀河系與太陽系 第三節(jié)第三節(jié) 地球、月球和地月系地球、月球和地月系 第四節(jié)第四節(jié) 地球的形態(tài)地球的形態(tài) 第一節(jié)第一節(jié) 宇宙宇宙一、宇宙中的天體和物質(zhì)一、宇宙中的天體和物質(zhì)二、宇宙中天體的相對位置二、宇宙中天體的相對位置 宇宙宇宙( (universe)universe)是天地萬物，是物質(zhì)世界。是天地萬物，是物質(zhì)世界。“宇宇”是空間的概念，是無邊無際的；是空間的概念，是無邊無際的；“宙宙”是時間的概念，是無始無終的。是時間的概念，是無始無終的。 宇宙是無限的空間和無限的時間的統(tǒng)一。宇宙是無限的空間和無限的

2、時間的統(tǒng)一。 在宇宙空間彌漫著形形色色的物質(zhì)，如恒星在宇宙空間彌漫著形形色色的物質(zhì)，如恒星、行星、氣體、塵埃、電磁波等，它們都在不、行星、氣體、塵埃、電磁波等，它們都在不停地運動、變化著。停地運動、變化著。當(dāng)代最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡已可觀測到當(dāng)代最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡已可觀測到200200億億l.y.(l.y.(光年光年) )的遙遠(yuǎn)目標(biāo)的遙遠(yuǎn)目標(biāo)（1 1 l.y.9.46l.y.9.4610101212 km km），這就是現(xiàn)今人類所能觀測到的宇宙部分這就是現(xiàn)今人類所能觀測到的宇宙部分。 恒星恒星是宇宙中最重要的天體。恒星是由熾熱氣是宇宙中最重要的天體。恒星是由熾熱氣體組成的、能夠自身發(fā)光的球形或類似球形

3、的天體體組成的、能夠自身發(fā)光的球形或類似球形的天體。構(gòu)成恒星的氣體主要是氫，其次是氦，其它元素。構(gòu)成恒星的氣體主要是氫，其次是氦，其它元素很少。太陽就是一顆既典型又很普通的恒星。很少。太陽就是一顆既典型又很普通的恒星。 擁有巨大的質(zhì)量擁有巨大的質(zhì)量是恒星能發(fā)光的基本原因。由是恒星能發(fā)光的基本原因。由于質(zhì)量大，內(nèi)部受到高溫高壓的作用，導(dǎo)致進(jìn)行由于質(zhì)量大，內(nèi)部受到高溫高壓的作用，導(dǎo)致進(jìn)行由氫聚變?yōu)楹さ臒岷朔磻?yīng)，釋放出巨大的能量，以維氫聚變?yōu)楹さ臒岷朔磻?yīng)，釋放出巨大的能量，以維持發(fā)光。恒星的溫度愈高，向外輻射能量的電磁波持發(fā)光。恒星的溫度愈高，向外輻射能量的電磁波波長愈短，因而顏色發(fā)藍(lán)；相反，顏色發(fā)

4、紅。恒星波長愈短，因而顏色發(fā)藍(lán)；相反，顏色發(fā)紅。恒星的質(zhì)量相差不大，多在的質(zhì)量相差不大，多在0.1-100.1-10倍太陽質(zhì)量之間；恒倍太陽質(zhì)量之間；恒星的體積卻相差非常懸殊，大的恒星直徑為太陽的星的體積卻相差非常懸殊，大的恒星直徑為太陽的20002000倍左右，小的恒星直徑小于倍左右，小的恒星直徑小于1000 1000 kmkm，比月球比月球還小；因此，恒星的平均密度相差也很懸殊。還??；因此，恒星的平均密度相差也很懸殊。圖圖1 11 1 北斗七星形狀的變化示意圖北斗七星形狀的變化示意圖 在地球上用肉眼觀察到的恒星的明亮程在地球上用肉眼觀察到的恒星的明亮程度被稱為度被稱為亮度亮度。古代人們將恒

5、星的亮度分。古代人們將恒星的亮度分為為6 6個等級，稱為個等級，稱為視星等視星等。其中把。其中把1515個最亮個最亮的恒星稱的恒星稱一等星一等星，而把正常視力所能辨認(rèn)，而把正常視力所能辨認(rèn)的最暗的星稱的最暗的星稱六等星六等星。后來，由于光學(xué)和。后來，由于光學(xué)和光學(xué)儀器的發(fā)展，人們測定了視星等和亮光學(xué)儀器的發(fā)展，人們測定了視星等和亮度的數(shù)量關(guān)系：即一等星比六等星亮度的數(shù)量關(guān)系：即一等星比六等星亮100100倍倍，視星等每差一等，亮度就差，視星等每差一等，亮度就差2.5122.512倍。恒倍。恒星的亮度受恒星到地球距離遠(yuǎn)近不同的影星的亮度受恒星到地球距離遠(yuǎn)近不同的影響，因而并不完全代表恒星本身的真

6、正發(fā)響，因而并不完全代表恒星本身的真正發(fā)光能力。恒星本身的發(fā)光能力被稱為光能力。恒星本身的發(fā)光能力被稱為光度光度，光度的等級則稱為，光度的等級則稱為絕對星等絕對星等。在恒星與恒星之間存在著極其廣大的空間，稱在恒星與恒星之間存在著極其廣大的空間，稱為為星際空間星際空間。彌漫于星際空間的極其稀薄的物。彌漫于星際空間的極其稀薄的物質(zhì)稱為質(zhì)稱為星際物質(zhì)星際物質(zhì)。主要的星際物質(zhì)有兩類，即。主要的星際物質(zhì)有兩類，即星際氣體和星際塵埃。星際氣體包括氣態(tài)的原星際氣體和星際塵埃。星際氣體包括氣態(tài)的原子、分子、電子和離子，其中以氫為最多，氦子、分子、電子和離子，其中以氫為最多，氦次之，其它元素都很少。星際塵埃就是

7、微小的次之，其它元素都很少。星際塵埃就是微小的固態(tài)質(zhì)點，它們分散在星際氣體之中，它們的固態(tài)質(zhì)點，它們分散在星際氣體之中，它們的主要成分是水、氨和甲烷的冰狀物以及二氧化主要成分是水、氨和甲烷的冰狀物以及二氧化硅、硅酸鐵、三氧化二鐵等礦物。星際物質(zhì)是硅、硅酸鐵、三氧化二鐵等礦物。星際物質(zhì)是很稀薄的，一般不過每立方厘米很稀薄的，一般不過每立方厘米0.10.1個質(zhì)點。個質(zhì)點。但是，在一些星際空間區(qū)域，其密度可以超過但是，在一些星際空間區(qū)域，其密度可以超過每立方厘米每立方厘米1010個甚至個甚至1 0001 000個個, ,這些區(qū)域稱為這些區(qū)域稱為星星際云際云。同星際云相比較，。同星際云相比較，星云星云

8、是星際物質(zhì)的更是星際物質(zhì)的更加龐大和更加密集的形式。加龐大和更加密集的形式。 天球天球是為了研究天體在天空中的位置和運動引是為了研究天體在天空中的位置和運動引進(jìn)的一個假想的圓球進(jìn)的一個假想的圓球, ,它的球心就是觀測者所在它的球心就是觀測者所在的地球的中心，它的半徑是無窮大的。這樣，地的地球的中心，它的半徑是無窮大的。這樣，地球以外的天體在天球上都有各自的投影位置。球以外的天體在天球上都有各自的投影位置。 地球的自轉(zhuǎn)軸無限延長，同天球球面相交于地球的自轉(zhuǎn)軸無限延長，同天球球面相交于兩點，這叫做兩點，這叫做天極天極；與地球的南、北極方向相同；與地球的南、北極方向相同的兩個極分別稱為的兩個極分別稱

9、為南天極和北天極南天極和北天極。地球赤道平。地球赤道平面無限擴(kuò)大，同天球相交的大圓，叫做面無限擴(kuò)大，同天球相交的大圓，叫做天赤道天赤道。有了天極和天赤道，天球就可以定出自己的經(jīng)線有了天極和天赤道，天球就可以定出自己的經(jīng)線和緯線，分別稱為和緯線，分別稱為赤經(jīng)和赤緯赤經(jīng)和赤緯。于是，人們說明。于是，人們說明天體在天球上投影的位置就方便了。天體在天球上投影的位置就方便了。圖圖12 天體在天球上的投影天體在天球上的投影圖圖13 天球上的天極和天赤道天球上的天極和天赤道 圖圖14 大熊星座圖形大熊星座圖形圖圖15 四瓣簡明星座圖四瓣簡明星座圖第二節(jié)第二節(jié) 銀河系與太陽系銀河系與太陽系 一、銀河系 二、太

10、陽系一銀河系一銀河系 銀河系（銀河系（milky way systemmilky way system）是一個由是一個由大約大約14001400億顆恒星和大量星際物質(zhì)組成億顆恒星和大量星際物質(zhì)組成的龐大天體系統(tǒng)。側(cè)面看呈中間厚邊緣的龐大天體系統(tǒng)。側(cè)面看呈中間厚邊緣薄的扁餅形，正面看呈旋渦形。銀河系薄的扁餅形，正面看呈旋渦形。銀河系的直徑約的直徑約1010萬萬l.y.l.y.。中心部分稱為中心部分稱為銀核銀核，直徑約，直徑約1 1萬多萬多l(xiāng).y.l.y.；銀核外側(cè)稱為銀核外側(cè)稱為銀盤銀盤；銀盤的中心平面稱為銀道面。太陽是；銀盤的中心平面稱為銀道面。太陽是銀河系中的一顆中等恒星，位于距銀河銀河系中

11、的一顆中等恒星，位于距銀河系中心約系中心約3 3萬萬l.y.l.y.的銀盤內(nèi)，太陽附近銀的銀盤內(nèi)，太陽附近銀盤厚度約盤厚度約3 000 3 000 l.y.l.y.，太陽距銀道面約太陽距銀道面約26 26 l.y.l.y.，幾乎就在銀道面上。幾乎就在銀道面上。 8月月24日，布拉格，國際天文學(xué)聯(lián)日，布拉格，國際天文學(xué)聯(lián)合會（合會（IAU）第）第26屆大會上屆大會上 提出：提出： 按照按照行星行星新定義：新定義： a “a “行星行星”指的是圍繞太陽運轉(zhuǎn)指的是圍繞太陽運轉(zhuǎn); ; b b自身引力足以克服其剛體力而使自身引力足以克服其剛體力而使天體呈圓球狀天體呈圓球狀; ; c c并且能夠清除其軌道

12、附近其他物并且能夠清除其軌道附近其他物體的天體。體的天體。 開普勒第一定律開普勒第一定律: : 行星繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道是行星繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道是橢圓，太陽位于橢圓的一個焦點上。橢圓，太陽位于橢圓的一個焦點上。由于太陽由于太陽取橢圓中某一偏心的焦點位置，行星至太取橢圓中某一偏心的焦點位置，行星至太陽的距離便因公轉(zhuǎn)運動發(fā)生周期性變化，陽的距離便因公轉(zhuǎn)運動發(fā)生周期性變化，當(dāng)行星到達(dá)橢圓長軸兩端時，行星至太陽當(dāng)行星到達(dá)橢圓長軸兩端時，行星至太陽的距離取最大、最小值，分別稱為遠(yuǎn)日點的距離取最大、最小值，分別稱為遠(yuǎn)日點和近日點。當(dāng)行星在近日點一邊的半橢圓和近日點。當(dāng)行星在近日點一邊的半橢圓中運行時，其與太陽的

13、距離將小于橢圓的中運行時，其與太陽的距離將小于橢圓的長半徑長半徑a a；而在遠(yuǎn)日點一邊的半橢圓中運行而在遠(yuǎn)日點一邊的半橢圓中運行時距離將大于長半徑時距離將大于長半徑a a；行星至太陽的平均行星至太陽的平均距離則正好等于橢圓的長半徑距離則正好等于橢圓的長半徑a a。圖圖18 行星運行的橢圓軌道示意圖行星運行的橢圓軌道示意圖遠(yuǎn)日點遠(yuǎn)日點 開普勒第二定律開普勒第二定律: :當(dāng)行星繞太陽公轉(zhuǎn)時，行當(dāng)行星繞太陽公轉(zhuǎn)時，行星同太陽的連線星同太陽的連線( (稱行星的向徑稱行星的向徑) )在單位時間內(nèi)在在單位時間內(nèi)在軌道平面上掃過的面積相等軌道平面上掃過的面積相等。依據(jù)該定律，行依據(jù)該定律，行星公轉(zhuǎn)的角速度和

14、線速度因橢圓軌道的位星公轉(zhuǎn)的角速度和線速度因橢圓軌道的位置而發(fā)生不均變化，在近日點附近速度最置而發(fā)生不均變化，在近日點附近速度最大，在遠(yuǎn)日點附近速度最小。但是，由于大，在遠(yuǎn)日點附近速度最小。但是，由于行星公轉(zhuǎn)的橢圓軌道的扁率很小，所以行行星公轉(zhuǎn)的橢圓軌道的扁率很小，所以行星公轉(zhuǎn)的速星公轉(zhuǎn)的速度不均勻程度并不大度不均勻程度并不大。圖圖19 行星向徑在相同時間掃過相同面積行星向徑在相同時間掃過相同面積 開普勒第三定律開普勒第三定律: :行星到太陽平均行星到太陽平均距離距離a a的立方同公轉(zhuǎn)周期的立方同公轉(zhuǎn)周期T T的平方成正比，的平方成正比，即對于任何行星：即對于任何行星：a a3 3/T/T2

15、2= =常數(shù)。常數(shù)。該定律是該定律是關(guān)于行星軌道大小和公轉(zhuǎn)周期的定律。即關(guān)于行星軌道大小和公轉(zhuǎn)周期的定律。即距太陽愈遠(yuǎn)的行星距太陽愈遠(yuǎn)的行星( (a a愈大愈大) )，公轉(zhuǎn)周期就，公轉(zhuǎn)周期就愈長愈長( (T T愈大愈大) )。周期愈長又意味著平均角。周期愈長又意味著平均角速度愈小，例如地球公轉(zhuǎn)一周要速度愈小，例如地球公轉(zhuǎn)一周要1 1 a a，而而冥王星公轉(zhuǎn)一周要冥王星公轉(zhuǎn)一周要248 248 a a。第三節(jié)第三節(jié) 地球、月球和地月系地球、月球和地月系 一、地球 二、月球和地月系 是太陽系自中心向外的第三顆行是太陽系自中心向外的第三顆行星，它到太陽的平均距離約為星，它到太陽的平均距離約為1.49

16、61.49610108 8km(km(1 1個天個天文單位文單位) )。地球繞太陽公轉(zhuǎn)的角速度平均為。地球繞太陽公轉(zhuǎn)的角速度平均為59085908d,d,線速度約為線速度約為30 30 km/s,km/s,公轉(zhuǎn)一周時間平均約為公轉(zhuǎn)一周時間平均約為 365.256 365.256 d d。地球繞自己的極軸自轉(zhuǎn)的角速度約為地球繞自己的極軸自轉(zhuǎn)的角速度約為 1515/ /h h（或或1515minmin、1515s s），），赤道處的線速赤道處的線速度為度為465465m ms s，自轉(zhuǎn)一周的時間為自轉(zhuǎn)一周的時間為2323h56min4sh56min4s。 地球自轉(zhuǎn)的赤道面與地球公轉(zhuǎn)的黃道面交角為地

17、球自轉(zhuǎn)的赤道面與地球公轉(zhuǎn)的黃道面交角為23232626。由于該赤黃交角的存在，地球在繞太陽。由于該赤黃交角的存在，地球在繞太陽公轉(zhuǎn)一周即一年的時間中，太陽光順黃道面到達(dá)地公轉(zhuǎn)一周即一年的時間中，太陽光順黃道面到達(dá)地球表面的直射點將會發(fā)生周期性變化，并形成了年球表面的直射點將會發(fā)生周期性變化，并形成了年復(fù)一年的時令與節(jié)氣往復(fù)。復(fù)一年的時令與節(jié)氣往復(fù)。 當(dāng)太陽直射點位于北半球時，晝半球向當(dāng)太陽直射點位于北半球時，晝半球向北偏轉(zhuǎn)，北半球相同緯度圈上晝半球覆蓋的北偏轉(zhuǎn)，北半球相同緯度圈上晝半球覆蓋的弧長大于夜半球的弧長，因而晝長夜短，并弧長大于夜半球的弧長，因而晝長夜短，并且緯度愈大，白晝愈長，直到在

18、緯度等于且緯度愈大，白晝愈長，直到在緯度等于 9090減太陽直射點緯度的地方減太陽直射點緯度的地方, ,開始出現(xiàn)連開始出現(xiàn)連續(xù)續(xù)24 24 h h的白晝，稱為的白晝，稱為極晝極晝；與此同時，南半；與此同時，南半球則晝短夜長，并在與北半球相對應(yīng)的緯度球則晝短夜長，并在與北半球相對應(yīng)的緯度上出現(xiàn)上出現(xiàn)極夜極夜（連續(xù)（連續(xù)24 24 h h的黑夜）。當(dāng)太陽的的黑夜）。當(dāng)太陽的直射點位于南半球時則正好相反。極晝和極直射點位于南半球時則正好相反。極晝和極夜出現(xiàn)的最大緯度為夜出現(xiàn)的最大緯度為66663434（9090減赤黃減赤黃交角），交角），稱為南、北極圈稱為南、北極圈。 月球在繞地月系共同質(zhì)心旋轉(zhuǎn)的同

19、時，還月球在繞地月系共同質(zhì)心旋轉(zhuǎn)的同時，還隨地球一起繞太陽公轉(zhuǎn)，所以它在太陽系中的隨地球一起繞太陽公轉(zhuǎn)，所以它在太陽系中的實際運動軌跡是在公轉(zhuǎn)軌道兩側(cè)起伏的波浪線實際運動軌跡是在公轉(zhuǎn)軌道兩側(cè)起伏的波浪線。當(dāng)月球運行到與太陽同處于地球一側(cè)的同一。當(dāng)月球運行到與太陽同處于地球一側(cè)的同一方向上時（稱日月相合），月球被太陽照射而方向上時（稱日月相合），月球被太陽照射而反光的一面正好背著地球，地球上看不見月球反光的一面正好背著地球，地球上看不見月球，這時稱為，這時稱為朔月朔月或或新月新月；與此相對，當(dāng)月球運；與此相對，當(dāng)月球運行到與太陽分處于地球兩側(cè)的同一方向上時（行到與太陽分處于地球兩側(cè)的同一方向上時

20、（稱日月相沖），月球受光面正好向著地球，這稱日月相沖），月球受光面正好向著地球，這時稱為時稱為望月望月或或滿月滿月；從朔月到望月，月球受光；從朔月到望月，月球受光面向著地球的比例逐漸變大，當(dāng)?shù)竭_(dá)一半時稱面向著地球的比例逐漸變大，當(dāng)?shù)竭_(dá)一半時稱為為上弦月上弦月；而從望月到朔月的一半時稱為；而從望月到朔月的一半時稱為下弦下弦月月。這種月亮圓缺的。這種月亮圓缺的各種形狀叫做各種形狀叫做月相月相。圖圖114 發(fā)生日食的條件：日月相合于黃白交線發(fā)生日食的條件：日月相合于黃白交線圖圖115 發(fā)生月食的條件：日月相沖于黃白交線發(fā)生月食的條件：日月相沖于黃白交線 第四節(jié)第四節(jié) 地球的形態(tài)地球的形態(tài) 一、地球的形狀與大小一、地球的形狀與大小 二、地球的表面形態(tài)二、地球的表面形態(tài)一、地球的形狀與大小 赤道半徑赤道半徑 6378.37 6378.37 kmkm兩極半徑兩極半徑 6356.752 6356.752 kmkm平均半徑平均半徑 6371.012 6371.012 kmkm扁率扁率 1/298.257 1/298.257赤道周長赤道周長 40075.7 40075.7 kmkm子午線周長子午線周長 40008