第三章-地球的運(yùn)動(dòng)課件

第三章地球的運(yùn)動(dòng)第一節(jié)地球的自轉(zhuǎn)一、地球自轉(zhuǎn)及其證明地球自轉(zhuǎn)：地球繞地軸自西向東旋轉(zhuǎn)。1、兩極扁縮2、落體東偏3、傅科擺一、地球自轉(zhuǎn)及其證明圖1傅科擺示意圖特征：擺長(zhǎng)，錘重，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)并在沙盤(pán)上留下擺動(dòng)的軌跡。

其特殊結(jié)構(gòu)，都是為了使擺動(dòng)平面不受地球自轉(zhuǎn)牽連，以及盡可能延長(zhǎng)擺動(dòng)維持時(shí)間而設(shè)定的：A、傅科擺須有一個(gè)密度大的有足夠重量的金屬擺錘（28kg金屬錘），以增大慣性并可儲(chǔ)備足夠的擺動(dòng)機(jī)械能；B、傅科擺須有一個(gè)盡可能長(zhǎng)的擺臂（67m長(zhǎng)的鋼絲），使擺周期延長(zhǎng)，降低擺錘運(yùn)動(dòng)速度，以減小其在空氣中運(yùn)動(dòng)的阻力；C、傅科擺結(jié)構(gòu)的的特殊懸掛裝置——萬(wàn)向節(jié)，正是這個(gè)萬(wàn)向節(jié)使得擺動(dòng)平面能夠超然于地球自轉(zhuǎn)。這樣有了一個(gè)能擺脫地球自轉(zhuǎn)牽連，并能長(zhǎng)時(shí)間作慣性擺動(dòng)的傅科擺，人們可以耐心地觀察地球極為緩慢的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。D、當(dāng)傅科擺起擺若干時(shí)間后，在北半球擺動(dòng)平面發(fā)生順時(shí)針?lè)较蚱D(zhuǎn)，而在南半球擺動(dòng)平面則發(fā)生逆時(shí)針?lè)较蚱D(zhuǎn)。傅科擺的特殊結(jié)構(gòu)圖2傅科擺偏轉(zhuǎn)方向：北半球右偏，南半球左偏圖3傅科擺偏轉(zhuǎn)速度：因緯度而異。d/dt＝15sin/時(shí)圖4在兩極，傅科擺偏轉(zhuǎn)最快（與地球自轉(zhuǎn)角速度相同）；在赤道，偏轉(zhuǎn)速度為零。1．地球自轉(zhuǎn)的方向（1）地球的東西方向是以地球的自轉(zhuǎn)方向來(lái)確定的，因此正確認(rèn)識(shí)地球的自轉(zhuǎn)方向是十分必要的。（2）地球的自轉(zhuǎn)方向，可以通過(guò)右手法則認(rèn)記：設(shè)想右手握住地軸，大拇指豎直指向北極星，四手指的方向則代表地球的自轉(zhuǎn)方向。二、地球自轉(zhuǎn)的規(guī)律

極移：南北兩極在地面上的移動(dòng)。幅度很小，一般不超過(guò)0.5″，或15m，但卻是一種極其復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。極移是整個(gè)地球相對(duì)于地軸的運(yùn)動(dòng)所造成的。在這一過(guò)程中，地軸被認(rèn)為是不動(dòng)的。因此，它不改變天軸在宇宙間的位置，從而不影響南北天極在天球上的位置。包含多種周期性因素:（1）是以14個(gè)月為周期;（2）一年為周期;（3）比較次要的長(zhǎng)期和短期變化。

極移的結(jié)果是引起各地緯度和經(jīng)度的微小變化。

2、地軸和極移3、地軸進(jìn)動(dòng)地軸進(jìn)動(dòng)：天極在天球上的位置的變化。是地軸的一種圓錐運(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；周期25800年。圖5地球的進(jìn)動(dòng)（向西）

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5極移與進(jìn)動(dòng)的比較

極移與進(jìn)動(dòng)的比較地軸進(jìn)動(dòng)的原因地球形狀；黃赤交角；地球自轉(zhuǎn)。圖6力矩M1>M2，合力矩使地軸趨近黃軸圖7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)的表現(xiàn)天極周期性運(yùn)動(dòng)，北極星變遷；圖8北極星隨天北極移動(dòng)而變遷地軸進(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9

二分二至點(diǎn)因地軸進(jìn)動(dòng)而在黃道上不斷西移圖中實(shí)線表示新天赤道，虛線表示舊天赤道，以新舊天赤道的變化，表示二分二至點(diǎn)的西移。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）；使回歸年小于恒星年（我國(guó)古稱(chēng)“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。4、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。

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)360°59。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10(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)13°38(太陽(yáng)日13°10)，地球自轉(zhuǎn)373°38，這13°38的差值是月球公轉(zhuǎn)造成的，使太陰日比恒星日長(zhǎng)約54分。圖10(B)恒星日與太陰日比較5、真（視）太陽(yáng)日與平太陽(yáng)日視太陽(yáng)日長(zhǎng)度的季節(jié)變化真（視）太陽(yáng)日：太陽(yáng)日不同于恒星日，在于太陽(yáng)每日赤經(jīng)差因季節(jié)而變化；平太陽(yáng)日：真太陽(yáng)日的全年平均值（時(shí)間單位）；太陽(yáng)周年運(yùn)動(dòng)向東，赤經(jīng)逐日遞增，中天時(shí)刻逐減推遲，連續(xù)兩次中天的時(shí)間間隔增長(zhǎng)，因而太陽(yáng)日大于恒星日；太陽(yáng)每日赤經(jīng)差因季節(jié)而異，視太陽(yáng)長(zhǎng)度有季節(jié)變化。太陽(yáng)每日赤經(jīng)差季節(jié)變化的主要原因是黃赤交角同樣的黃經(jīng)差造成不同的赤經(jīng)差；第二赤道坐標(biāo)系與黃道坐標(biāo)系有共同原點(diǎn)（春分點(diǎn)），因基圈不同，黃經(jīng)不同于赤經(jīng)；冬夏二至（黃赤二道平行）赤經(jīng)差最大，視太陽(yáng)日最長(zhǎng)；春秋二分（二道交角最大）赤經(jīng)差最小，視太陽(yáng)日最短。圖11黃赤交角與視太陽(yáng)日長(zhǎng)度每一節(jié)氣的太陽(yáng)黃經(jīng)差都是15°。由于黃赤交角的存在，它們?cè)斐傻某嘟?jīng)差卻不同：二分最小，視太陽(yáng)日最短；二至最大，視太陽(yáng)日最長(zhǎng)。赤經(jīng)差變化的次要原因是橢圓軌道造成太陽(yáng)每日黃經(jīng)差本身的變化；由于日地距離的變化，地球公轉(zhuǎn)速度的不等；近日點(diǎn)變化最快，視太陽(yáng)日較長(zhǎng)；遠(yuǎn)日點(diǎn)變化最慢，視太陽(yáng)日較短。1月2日視午1月1日視午4月2日視午4月1日視午7月2日視午7月1日視午（a）視太陽(yáng)日平太陽(yáng)日（a）視太陽(yáng)日平太陽(yáng)日（a）視太陽(yáng)日平太陽(yáng)日?qǐng)D12

橢圓軌道（公轉(zhuǎn)速度）與視太陽(yáng)日長(zhǎng)度

（a）一月初，地球近近日點(diǎn)，太陽(yáng)每日赤經(jīng)差達(dá)極大值（61

），視太陽(yáng)日最長(zhǎng)。（b）四月初，太陽(yáng)每日赤經(jīng)差為全年平均值（59

），視太陽(yáng)日=平太陽(yáng)日。（c）七月初，地球近遠(yuǎn)日點(diǎn)，太陽(yáng)每日赤經(jīng)差達(dá)極小值（57

），視太陽(yáng)日最短。

真太陽(yáng)日長(zhǎng)度受到黃赤交角和橢圓軌道兩個(gè)因素的作用和干擾真太陽(yáng)日長(zhǎng)度變化：二至最長(zhǎng)，二分最短；冬至略長(zhǎng)于夏至（最長(zhǎng)的視太陽(yáng)日在冬至后）；秋分短于春分（最短的視太陽(yáng)日在秋分前）。圖13視太陽(yáng)日長(zhǎng)度的周年變化

點(diǎn)線為長(zhǎng)度因黃赤交角而發(fā)生的變化，虛線為視太陽(yáng)日長(zhǎng)度因日地距離而發(fā)生的變化，實(shí)線表示二者的疊加，主極大在冬至后，次極大在夏至前；主極小在秋分前，次極小在春分后。圖14地球自轉(zhuǎn)速度演示6、地球自轉(zhuǎn)速度角速度：15/h線速度：V0＝2R/T=465m/sVV0

cosV0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；

三、地球自轉(zhuǎn)的后果1、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)的周期和速度，如實(shí)反映了地球自轉(zhuǎn)的周期和它的角速度；太陽(yáng)和月球除參與整個(gè)天球的周日運(yùn)動(dòng)之外，還有它們自身的巡天運(yùn)動(dòng)。2、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?chē)阈怯啦宦涞仄?，這部分周日圈全部位于地平以上的恒星；恒隱星：天南極周?chē)阈怯啦簧鹉戏降仄?，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；

以北半球?yàn)槔?，天北極周?chē)鸀楹泔@星，天南極周?chē)鸀楹汶[星，天赤道南北為出沒(méi)星。天赤道以北的恒星在地平以上的時(shí)間較長(zhǎng)，天赤道以南的恒星反之。南半球與之相反。圖15恒顯星區(qū)（1）、恒隱星區(qū)（3）和出沒(méi)星區(qū)（2）圖16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?chē)泻泔@星和恒隱星，天赤道南北是出沒(méi)星。北天恒星在地平以上的時(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)愈小：周日圈與地平的交角愈?。痪暥仍降?，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=903、水平運(yùn)動(dòng)偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)方向：北半球偏右，南半球偏左。原因：地球自轉(zhuǎn)造成經(jīng)緯線方向改變，而運(yùn)動(dòng)物體有保持不變的慣性?？评飱W利力（地轉(zhuǎn)偏向力）

FVm·sin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。

地球上的水平方向，都是以經(jīng)線和緯線為準(zhǔn)的，經(jīng)線的方向就是南北方向，緯線的方向就是東西方向。但是由于地球自轉(zhuǎn)，作為南北方向和東西方向標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)線和緯線，都隨地球自轉(zhuǎn)而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。于是，真正保持不變方向的物體的水平運(yùn)動(dòng)，如果用地球上的方向來(lái)表示，倒是相對(duì)地發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。假設(shè)某一物體，從A出發(fā)，經(jīng)若干時(shí)間后，到達(dá)A′處，此時(shí)，經(jīng)緯線發(fā)生空間變化，由于慣性，水平運(yùn)動(dòng)的物體保持原來(lái)的方向，結(jié)果使物體向右偏（北半球）。南半球向左偏，赤道上無(wú)偏轉(zhuǎn)。

第二節(jié)地球的公轉(zhuǎn)一、地球公轉(zhuǎn)及其證明1、恒星周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?。缓阈怯h(yuǎn)，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

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17恒星年視差橢圓

當(dāng)?shù)厍蜍壍腊霃酱怪庇谛堑剡B線時(shí)，同一恒星的視察位移達(dá)極大，被稱(chēng)為該恒星的周年視差。圖18恒星周年視差的大小

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19恒星年視差與恒星距離2、光行差

光行差是地球軌道速度對(duì)于光速的影響。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300000千米的速率投向地球，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，因而不同于星光的真方向。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。

在同一瞬間，從靜止的地球上和運(yùn)動(dòng)的地球上所見(jiàn)到的恒星的方向之差，叫做光行差。如下圖，地球E上的觀測(cè)者在靜止時(shí)，看到恒星A位于天球上的S點(diǎn)。由于地球的公轉(zhuǎn)，E以速度v奔向天球上的B點(diǎn)（向點(diǎn)）。恒星A的光線在沿AE，以速度C運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，相對(duì)E有速度-v的運(yùn)動(dòng)。按照運(yùn)動(dòng)合成的原理，星光沿AE'方向運(yùn)動(dòng)，使觀測(cè)者見(jiàn)到的是同AE'平行的光線S'E，因而觀測(cè)者實(shí)際見(jiàn)到的恒星A位于天球上的S'。方向差SES'=θ，就是光行差。光行差示意圖

V

雨中奔跑的行人，跑得愈快，雨傘愈應(yīng)向前方傾斜。與此類(lèi)似的，地球的軌道速度： =30km/s星光光速：

V=300000km/s則：

tan=30/300000=0.0001

=20.47這個(gè)角度為光行差常數(shù)。圖3-18光行差與雨行差示意圖二、地球公轉(zhuǎn)的規(guī)律性1、地球軌道軌道形狀：橢圓軌道半長(zhǎng)軸（a）：149600000km；軌道半短軸（b）：149580000km；半焦距（c）：2500000km；周長(zhǎng)（l）：940000000km；偏心率（e）：0.016；扁率（f）：7000。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)）：147100000km；遠(yuǎn)日點(diǎn)（地球七月初經(jīng)過(guò)）：152100000km。圖3-22地球的近日點(diǎn)和遠(yuǎn)日點(diǎn)圖3-23地球的軌道面2、黃赤交角3、地球公轉(zhuǎn)周期恒星年：以恒星為參考點(diǎn)，無(wú)明顯自行，365.2564日回歸年：以春分點(diǎn)為參考點(diǎn)，每年西移50，小于恒星年，365.2422日近點(diǎn)年：以近日點(diǎn)為參考點(diǎn)，每年?yáng)|移11，大于恒星年，365.2596日交點(diǎn)年：以黃白交點(diǎn)為參考點(diǎn)，每年西移20，小于恒星年，346.6200日?qǐng)D3-24四種年的比較4、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）

圖3-25面速度不變（開(kāi)普勒第二定律）的幾何證明

⊿ABS=⊿BCS(等底同高)⊿BCS=⊿BES(同底等高)

1、恒星周年視差2、太陽(yáng)周年運(yùn)動(dòng)二十四氣十二宮二分點(diǎn)、二至點(diǎn)三、地球公轉(zhuǎn)后果3、行星同太陽(yáng)的會(huì)合運(yùn)動(dòng)會(huì)合周期：設(shè)E、P分別表示地球和地內(nèi)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

當(dāng)行星位于P1，地球位于E1，是該行星第一次合日。地內(nèi)行星的角速度遠(yuǎn)大于地球公轉(zhuǎn)的角速度，當(dāng)行星完成公轉(zhuǎn)一周又繼續(xù)運(yùn)行到P2時(shí)，地球僅從E1公轉(zhuǎn)到E2。這時(shí)，發(fā)生該行星的第二次合日。從這一次行星合日到下一次行星合日的時(shí)間，叫行星的會(huì)合周期。圖3-26行星會(huì)合周期的推算3、行星同太陽(yáng)的會(huì)合運(yùn)動(dòng)會(huì)合周期：設(shè)E、P分別表示地球和地內(nèi)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：