专题名称 |
地球、宇宙专题讲座 |
主讲人 |
朱光良 |
时间 |
20090927 |
工作单位 |
浙江教育学院 |
电话 |
|
邮箱 |
zjhzzgl@zj.com |
一、傅科摆实验
摆锤28千克，摆长67米，下面放直径6米的沙盘。每摆动一次（16.5秒），摆尖在上盘边缘画出的路线每次移动……
（一）傅科摆与普通单摆有什么不同
1. 摆线长。可以把每次的偏转放大。
2. 摆锤重。可以保持长时间地摆动。
3. 特殊的挂钩设计。接触面的“点设计”不会受到偏转造成的扭转的影响。
（二）傅科摆为什么可以解释地球是自转的？
地球如果没有自转运动，傅科摆摆面会发生偏转吗？
地球有自转运动，为什么傅科摆摆面就会偏转？
（三）傅科摆摆面偏转的规律：
在不同的维度地点做傅科摆时间，摆面的旋转周期是有差异的。
维度越高的地点，摆面的旋转周期越短。在两极，便面的旋转周期为24小时。在赤道上，摆面不旋转，周期无限长。
（四）教科版教材是如何用傅科摆证明地球在自传？
1. 先用普通单摆证明：摆有保持摆动方向（摆面方向）不变的特性——用实验证明。
2. 傅科摆摆面的偏转说明地球和单摆的底座（摆架）一样在缓慢地转动。
（五）证明地球自转的其他事例
1.地球上物体自由运动的偏转：
（1）自由垂直运动的偏转
（2）自由水平运动物体的偏转。
（除赤道外，地球上一切的自由水平运动，顺时针运动方向看，在北半球向右偏转，在南半球向左偏转。北半球河流右岸冲刷得厉害一些，大气水平运动方向趋于与等压线平行等，都源于此）
2. 地球的形状因自转而变得不规则。地球形状的特点：赤道半径大于极半径。
二、北极星为什么不动
北极星（小熊座α）有没有真实的空间运动？
银河系有运动，北极星（及其他银河系恒星）参与银河系的运动。北极星还相对于其他周围恒星有运动。所以，北极星有真实的空间运动。
北极星“不动”又是指什么？
主要是指相对于观测者的方位、高度没有变化。另外，在短时间内，北极星（及其他恒星、星系等）的真实空间运动不会引起显现的位置变化；
为什么北极星相对于观测者的方位角、高度角不变？
其他恒星（如牛郎星、织女星等）不是不动的，原因是什么？由于地球自转，地球上的观测者看到这些恒星有东升西落运动，在升落运动过程中，相对于观测者，恒星的方位角、高度角在不断变化，这就是“动”。
北极星与其他恒星不同，是“不动”的，特殊点何在？北极星处在地球自转轴延伸方向。
北极星永远是小熊座α吗？
这个问题的实质是什么？
地球自转轴北极一端是否永远指向小熊座α？
不考虑小熊座α的真实空间运动，北极星是否永远就是它？
地球自转轴的空间指向是变化的——地轴进动。
地轴进动的规律：
地轴以黄轴（黄道面法线）为进动轴，25800年为进动周期，按顺时针方向进动。
地轴进动的结果：
北极星（以及南极星）将由不同的恒星来充当。现阶段为小熊座α，约5000年后，北极星将是仙王座的某颗恒星，而5000年前则是天龙座α
三、星空的周日运动与周年运动
（一）星空的周日运动
星空的周日运动，就是所谓的东升西落运动，或者说天体的周日旋转。
星空的周日运动的规律：
●从不同的经度地点看星空的周日运动有什么不同？
（东边的观测者看到的星空周日运动时刻遭遇西边地点的观测者。《谁先迎来黎明》说的就是这个现象）
●从不同的维度地点看星空的周日运动有什么不同？
（在赤道上看到的星空周日运动特征：天体垂直升落，可见全天恒星）
（在北极点看到的星空周日运动特征：天体没有升落，只能看见一半星空的恒星）
（其他点看到的星空周日运动特征：天体斜升斜落，有恒显星、恒隐星、出没星之分）
（二）星空的周年运动
星空的周年运动就是四季星空的变化。
星空的周年运动的规律：
地球自转一周为23小时56分4.1秒，因此星空周日旋转一周的时间比日常所说的一天约短4分钟。
现在所说的一天24小时，是太阳东升西落的时间。也就是说，我们一天是以太阳的东升西落运动来安排的——“日出而作，日落而息”
之所以以太阳东升西落一周的时间长于恒星星空，是因为地球还有绕日公转运动。
由此得出星空周年运动规律：相同的恒星星空状况再次出现，后一天比前一天约早4分钟。
四、星座
人们根据一群星构成的图形加上相像，把恒星分成许多星座。
●星名：现在国际上对恒星名称的标准名称是“星座名”+希腊字母或数字，例如天鹰座α（牛郎星）。
●亮度：夜空中的恒星有亮有暗，恒星亮暗的差别通常用视星等来表达。
●光度：恒星光度反映恒星实际发光的多少。
●绝对星等：与光度对应的是恒星的绝对星等。把恒星的距离都调整到离地球10秒差距（32.6光年）处，此时的星等就是绝对星等。
●恒星的颜色：当我们仔细观测星空时，会注意到恒星不仅亮、暗各异，而且颜色也不相同。例如，明亮的天狼星闪着白色的光芒，心宿二辉映出红色，参宿四为黄色，参宿五为蓝色。
●表面温度：恒星的颜色反映了恒星表面温度的高低，犹如正在燃烧的炉火一样，蓝颜色的火焰温度最高，其次是发白色的火焰，红色火焰温度较低。例如，红色的心宿二表面温度大约是3000K；太阳是黄色的，表面温度约5700K；白色的织女星表面温度约10000K左右。
五、视差与周年视差
●周日视差：在测定太阳系内天体的距离时，以地球半径为基线，所得视差称为周日视差。周日视差随着天体的高度角变化而改变，当天体位于地平时，它的周日视差达到极大值，称为周日地平视差。当观测者位于赤道时，天体的周日地平视差具有最大值，称为赤道地平视差。
●周年视差：在测定恒星的距离时，以地球绕太阳公转轨道半长径（即日地平均距离）为基线，所得视差称为周年视差。假设恒星位于黄极方向时的周年视差称为恒星周年视差，简称恒星视差，用π表示。恒星视差只与恒星至太阳的距离有关，所以通常用π表示恒星距离。所有恒星的π值都小于1〃。
自哥白尼提出日心地动说以后的近300年间，许多人企图发现恒星的周年视差，但都没有成功，以致有些人对哥白尼学说的正确性持怀疑态度，其中包括丹麦著名天文学家第谷。直到1837～1839年，俄国斯特鲁维、德国贝塞耳、英国亨德森才分别测出织女星、天鹅座61、南门二（半人马座α,0.77〃）三颗近距离恒星的周年视差。
六、地球公转运动
（一）四季的形成
1. 地球上的季节变化并非日地距离变化引起
作为行星，地球沿着一个以太阳为焦点之一的椭圆轨道绕太阳公转。这个椭圆的半长径，即日地平均距离为 a = 149597870 公里
地球公转椭圆轨道的偏心率为 e = 0.0167 ≈ 1/60
由此可算出得近日距、远日距数值：
近日距 = a（ 1 – e ）= 1.471×108 公里（现阶段地球过近日点的时间为1月上旬中前期）
远日距 = a（ 1 ＋ e ）= 1.521×108 公里（现阶段地球过远日点的时间为7月上旬中前期）
日地距离的变化会造成地球接受到的太阳辐射能量相应地发生变化。
日地距离变化于152100000公里与147100000公里之间，即成100与96.7之比，地球所得太阳辐射能总量的极小值和极大值，成(96.7)2与(100)2之比，即93.5与100之比，全年的差值为6.5。
日地距离变化所带来的地球接受太阳辐射的变化，是全球性变化，即，当地球处在近日点时，无论北半球，还是南半球，接受的太阳辐射都取极大值，当地球处在远日点时，则都取极小值。
显然，地球上的季节变化并非日地距离变化的原因（全球性因素）。
2. 季节变化的决定性因素是太阳直射点变化
地球在绕地轴自转的同时，在黄道面上还绕太阳公转。地轴与黄道面是斜交的，交角为66.5°。
很显然，地球公转过程中，太阳光线直射点在地表的位置是在不断地变化的。
太阳直射点往来于地球赤道南北23°26′之间，使得南北半球各自所得的太阳辐射能量，就其对全球总量所占的百分数来说，变化于70%与30%之间，即成100与42.9之比，其差值为57.1。
显然，对地球来说，季节变化的决定性因素，是太阳直射点变化（半球性因素），而非日地距离的变化（全球性因素）。
七、月球、月球运动、月相
（一）月球概况
月球的半径1738公里，相当于地球的3/11，它的质量为7.35×1025克，为地球的1/81.3，平均密度3.34克/厘米3。理论上认为月球内部分为月壳、月幔、月核三层，月球内部主要是岩石物质。
月球表面重力很弱，重力加速度为1.62米/秒2，仅为地球表面的1/6。由于重力弱，月球表面的自然状况与地球表面的有很大差异：几乎没有大气；除了太阳光和星光，天空永远是黑暗的；没有天气（风、雨、雪等）现象；温差特别大（-183℃～127℃）；声音不能传播。
（二）月球表面
月球表面的环境虽然不适合人类生活，但对于特殊的科学研究恰好是合适的。
月球的表面形态与水星相似，有大量的环状构造，被称为环形山（月坑），主要由陨星撞击形成，也有少量是火山活动的结果，这些环形山主要形成于几万年或几十万年前。此外，月球表面还有大量的暗黑区域，这些暗黑区域被称为月海。
（三）月球运动——地月系的绕转运动
地月系的绕转，是地球和月球在地月系内部不断绕地月系质心的旋转运动。
根据力学理论和天文观测，地月系绕转运动的具体特征如下：
第一，地心、月心和地月系质心三点共线。
第二，地月系绕转周期为恒星月，恒星月 = 27.32166 日
第三，地球、月球绕公共质心的运动轨道位于同一个平面内，这个平面称为白道面。白道面和黄道面的交角为 5°9′（平均值）。
第四，根据力学理论和天文观测，地月系绕转运动的具体特征：在椭圆轨道运动中，地心和月心至地月系质心的距离都在不断变化，但两者距离之比却始终不变。
第五，根据力学理论和天文观测，地月系绕转运动的具体特征：月球绕地月系质心，或月球绕地球运动的椭圆轨道的偏心率，平均为e=0.0549（1/18）。由此可算得月球的近地距和远地距分别为363300公里和405500公里（平均值）。
第六，根据力学理论和天文观测，地月系绕转运动的具体特征：与地球绕太阳公转运动相比，地月系绕转运动的变化要大一些。例如，偏心率大约变化于1/23～1/15之间；月地距离的最大值可接近40.7万公里，最小值不到36万公里；黄白交角波动于4°57′～ 5°19′之间；白道面与黄道面的交线的位置较快地西旋，约18.6年就西旋一周，每年西旋约19°，等等。
除地球、月球因相互吸引而绕转外，地月系作为一个整体，还受太阳引力的作用绕太阳公转。
太阳对地月系整体的引力的“平均作用点”，可以看作是地月系质心。因此，真正在“地球公转轨道”上绕太阳公转的，严格讲不是地球中心，而是地月系质心。
（四）地月系绕日公转
地月系的绕转和绕日公转是同时进行的。所以，地月系的运动是这两种主要成分的叠加。地月系运动 = 地月系质心绕日公转 + 地、月对质心绕转
由此可见，地月系绕转和地月系质心公转两种运动叠加的结果，致使地球、月球在太阳系中的实际运动轨迹，都是在质心公转轨道两侧起伏的波浪线，但月球的波动幅度比地球大81.3倍。
（五）月球运动——自转
月球在和地球一起绕转的同时，还在不停地自转。月球的自转比较特殊。
月球的自转方向和周期与其和地球绕转的方向和周期完全相同。这样的自转称为同步自转。
由于是同步自转，月球始终将自己的一面对着地球。
月球的背面一直到1959年苏联宇宙飞船首次飞达月球时才拍摄到的。
（六）月相
月相是指月球的视形状，月相变化即月亮的圆缺变化。
月相变化的原因在于，月球自身不发光，靠反射太阳光而被我们看到；在太阳光照射下，月球总是半明半暗，就像地球上有昼半球、夜半球一样；平时人们的肉眼只能看到月球的昼半球，而看不到夜半球；月球的昼半球总是朝向太阳，并不一定向着地球。所以，月球在地球观测者眼里所表现的视形状——月相，取决于月球明亮的昼半球有多大的比例能被观测到，而这个比例随着地月系绕转和绕日公转，不断地以朔望月（29.53059日）为周期发生变化，这样就形成了以朔望月为周期的月相变化。
上弦月与下弦月：“上上西西，下下东东”，上弦月在上半夜、西边天空、亮面在西半面。
学员提问：
南半球和北半球看到的月相有没有区别？除了朔与望以外，其它的有一定差异。
为什么十五的月亮十六圆？
（七）日食和月食
1.月球和地球的影锥。
根据地球、月球的大小和日地距离、月地距离等，可计算出地球本影、月球本影的平均长度。地球本影的平均长度 = 1382000公里。月球本影的平均长度 = 373500公里（朔）
2. 日食类型及其直接成因
地月系在不断运动，而地月系绕转的平面又接近公转轨道面，因此，当日月合朔时，月球处在日、地之间时，月球的影锥就可能扫过地球，地球上被月球的影锥扫到的区域中的观测者，将看到日食的发生。日食有三种类型：日全食、日偏食、日环食。
3.月食类型及其直接成因
在地月系运动中，当月球转入到地球的背太阳方向，即日月相望时，一轮满月可能触及或进入地球本影。由于本影中是黑暗的，无直射太阳光，这时，夜半球中的观测者将观测到一轮明月被地球本影所逐渐吞蚀，这就是月食现象。月食只有二种类型：月全食和月偏食。
4.日月食发生条件分析
日食的直接成因是月球影锥扫过地球，月食的直接成因是月球通过地球的本影。前者必须发生于日月合朔，后者必定发生于日月相望之时。
所以，“朔”或“望”是日食和月食发生的一个条件，即日食必定发生于“朔” ，月食必定发生于“望” 。
但是实际情况是，大多数“朔”并不发生日食，大多数“望”并不发生月食，所以“朔”和“望”只是日月食发生的必要条件，而非充分条件 。
日月食发生的条件是，“朔”或“望”时日、月、地近似成一线。
为什么只要求日、月、地近似成一线，而不是严格在一条直线上呢？
因为月球影锥和地球影锥毕竟有一定的宽度，因此，只要日、月、地接近共线的程度较高，就可能发生日月食。
综上所述，日食或月食发生的条件是，在黄道面和白道面的交线附近发生“朔”或“望”。
5.各种日月食具体分析
那么什么情况下的“朔”会有日食，什么情况下的“望”会有月食？或者说，为什么有些“朔”会发生日食，有些“望”会有月食？
日全食：整个日全食过程（从初亏到复圆）持续的时间可以在2个小时以上，但全食阶段（从食既到生光）持续的时间通常只有二、三分钟。在各类日月食中，日全食是最为壮观，最有科学意义的一种食型。
日环食：当月球伪本影掠过地球时，地球上发生一次日环食。日环食的发生情况与日全食类似，所以可以按照前面对日全食的讨论来讨论日环食。
日偏食：当月球本影、伪本影皆从地球南北端之外掠过而不触及地球，但月球半影却扫过部分地球时，地球上发生了一次“纯粹的”日偏食。
