第三章 地球的运动解剖

第三章地球的运动教学目的：1、掌握：⑴地球的自转：①地球自转的证明（主要掌握傅科摆证明）；②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）；③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。

⑵地球的公转：①地球公转的证明：恒星的周年视差、恒星的光行差；②地球公转的规律：公转轨道、公转周期、公转速度；③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、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⑴含义:地球绕自身轴线的旋转运动⑵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⑴地球自转的发现：地动说地静说伽利略哥白尼−−−−→−、 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”。

⑵地球自转的证明①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 ②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 ）——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小时/sin 15ϕω =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A′P 方向（与AP 方向的夹角为θ）。

但因摆动平面不受地球自转牵连及其保持运动惯性之故，其空间方向保持不变，即A′P ′方向（与AP 方向平行）。

这样，摆动平面A′P ′就与A′点经线的切线方向（A′P ）产生了偏角（θ），于是：小时化为时间有化为角度将应为摆动平面偏转的角速度都用弧度表示/sin 152/24t 2/360：t sin //t )(h ϕππθωθϕθωωθθ =⨯⨯===''==∴'='=，APAO AO A A AP A A ：，t AO A A t AP A A 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。

③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:g /2h cos 3ϕω=S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）；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⑴极移的振幅：≤0.5"或15m⑵极移的原因和周期：①自由摆动：自转轴对于惯性轴的偏离，周期为14个月②受迫摆动：大气运行的季节性，周期为12个月⑶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°08′N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⑴进动进动，在物理学中，是指转动物体的转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。

⑵地轴进动的特征①圆锥形运动的圆锥轴线为黄轴。

②圆锥半径为23°26′，就是黄赤交角。

③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”。

④进动的速度是每年50.29"，周期为25800年。

⑶地轴进动的原理①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。

②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，其作用是把赤道面“拉”回黄道面，地轴趋近黄轴。

③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。

⑷地球进动的表现①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α），现在是勾陈一（小熊座α），到13600A.D，织女星（天琴座α）将成为北极星。

②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，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”。

③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”。

④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⑴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，太阳日和太阴日。

⑵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。

⑶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。

⑷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，地球自转了373°38′。

⑸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⑴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）。

⑵太阳每日赤经差季节变化的原因①黄赤交角的存在地球公转引起的太阳视位置的差异，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。