天文辅导材料1(地球的运动)

福州一中天文社社团辅导材料（1）

专题一地球的运动

地球在自转的同时进行着围绕太阳的公转运动，我们所见的许多天文现象都源于地球的运动。假如我们能深入研究运动与现象的内在联系，那么我们将在地理和天文的学习中积累更多的经验。

1．自转（易）

地球围绕地轴旋转的运动称为自转。自转产生了太阳的东升西落。为了描述这个自然现象，人们逐渐形成了东、西、南、北等方位的概念。自转产生了昼夜交替的现象，使人们渐渐形成了“日”的概念。自转使地球上经度不同的地区存在不同的地方时刻——时差现象。为了解决时差对全球交通、通讯的影响，人们建立了时区和日界线等的法则。

夜里我们观察到满天的星斗围绕着北极星（实际上是围绕北极星附近的北天极）旋转，恒星东升西落的现象，都是由自转产生的。大家可以思考一个问题，为什么在春季的下半夜，我们会看到夏季的星座呢？

而高中的同学需要从示意图上理解恒星日和太阳日的概念与区别，正确说明同一颗恒星今日比昨日大约早升起4分钟的原因。

1.1 时差（易）

全球共划分为24个理论时区（以下简称时区），每个时区跨度为15个经度。（东西十二时区是个例外，但东十二区和西十二时区各占7.5个经度。）

以中时区为例，它的范围从西经7.5°到东经7.5°，在此区域内的所有地方统一使用中时区的“中央经线”——本初子午线的地方时。东一区的中央经线为东经15°，东二区为东经30°，以此类推。东西十二时区的中央经线为180°经线，但东十二区比西十二区多一天。

下面我们通过例子初步了解时区的区时的计算方法。

◆例1-1：埃及首都开罗（31.15°E）是9月28日晚上10：30，请问我国北京（116°E）是几日几时？

◇解：从开罗的经度可知该地的理论时区为“东二区”，同理，北京属于“东八区”。两地的时区差为6（都同属“东”的时区，所以，时区差用时区数字较大的减较少的）。计算得，北京应为9月29日凌晨4：30。

◆例1-2：1941年12月7日清晨7：49，美国太平洋海军基地珍珠港（西十区）被日军偷袭。请问此刻东京（东九区）的日期和时刻。

◇解：东京和珍珠港之间有日界线。当船只、飞机从日界线之东到达日界线以西的时候，日期应加一天；反之则应减一天。因此偷袭时东京的日期是1941年12月8日。东京与珍珠

港的时区差为10+9=19，用24减19，得到5。东京的时刻为凌晨2：49。

▲习题：

1-1 美国本土划分为4个时区，如纽约所在的东部时间使用西五区区时，洛杉矶的太平洋时间西八区区时等等。而我国虽然横跨5个时区，但各地都使用东八区区时——北京时间。若现时为北京时间早上9时，纽约、洛杉矶的时刻应各为几点？

1-2 印度使用的时间比格林尼治标准时快了5.5小时（记作：UTC+5.5），一架飞机在2012年12月10日早上8：30从北京（UTC+8）出发，飞行6小时后在新德里降落，请问新德里此时几点？

1.2 太阳的升落与方位概念的形成，地平坐标系（难）

很早就我们的祖先关注太阳的东升西落，渐渐地产生了方位的概念。

夜观天象，常有一种感觉，天好像是一个锅盖倒扣在人的头顶一样。渐渐地人们产生了“天球”的概念。在此基础上形成了最直观的天球坐标系——地平坐标系。

地平坐标系用“方位角”和“高度角”两个角度数值表达天体在这个坐标系中的具体位置。这个做法和地球仪上的经纬度有类似之处。天文学家一般将正南定为方位角的起点——0°，然后随着顺时针地旋转，方位度数在不断地增大。正西定为90°，正北是180°，270°是正东。天文学家还指出地平线的高度角为0°，天顶为90°，双脚所“踩”住的“天底”为﹣90°。

我们以春分日太阳视运动的三个重要来解说地平坐标

是如何表示天体位置的。这一天，地球各地都可以见到太阳

从正东方位升起。在那个瞬间，太阳的坐标为：方位角

270°，高度角0°。正午时，太阳运行到正南方向，对于

广州的北回归线标志塔（23.5°N）所在的地点来说，此刻

太阳的位置是：方位角0°，高度角66.5°。日落时，太阳

的坐标为：方位角90°，高度角0°。

右图是地平坐标系的示意图。在天球的地平圈上等距离

地设置了南点、西点、北点和东点等四个基点。我们把从北

点开始，依次经过北天极、天顶、南点、南天极、天底，最

后回到北点的圆圈称为“子午圈”。太阳、行星、恒星等天

体经过子午圈的瞬间，我们称为天体的“中天”。

图1-1 地平坐标系在天文书刊中，常用A来表示方位角，h表示高度角。

高度角也可以用90°－z表示，z称为天顶距，是天顶到天

体的角度距离。

1.3 天体的周日视运动（中）

夜晚，我们观察星空。发现部分恒星也像太阳那样东升

西落。例如，每年的10月中旬，晚上10点左右，作为冬

季星空的代表——猎户星座逐渐从东方地平线上升起。凌晨

4点位于正南方向。可以说10月中旬的上半夜，天幕上演的是秋季星空，而随着地球的自转，下半夜唱主角的则是冬季星空。我们把天体随地球自转在天球中不断产生的位置变化称为天体的“周日视运动”。

对于那些比较靠近北极星的天体，它们的周日视运动现象就更加有趣了。它们不需要从东方的地平线上升起，也从不落入西方的地平线。而是围绕着北极星（实际上是北天极），做着逆时针的转动。

★思考：

1-1 观看星图软件所做的模拟演示，回答或思考以下问题：

（1）以福州为观测点，观察4月中旬的时候，晚上8点、12点和凌晨4点时，北斗七星（属于大熊星座）在星空中的位置；

（2）观察10月中旬的时候，晚上8点、12点和凌晨4点时刻，北斗七星在星空中的位置；

（3）用自己的语言解释所见到的现象。

1-2 我们在北半球看到天体围绕着北天极作逆时针的旋转，那么在南半球呢？如果你位于地球北极点的高空，你会发现地球自转的方向是？南极点上空呢？

1.4 恒星日和太阳日（中）

平时我们说，一天包含着24个小时。这是如何定义的呢？

请看右图。当地球运行到E 1时，地面上的P 点恰好位于直线

SE 1上，也就是说P 点刚好是正午。24小时之后，地球公转

到E 3的位置，P 点位于直线SE 3上，P 点再次正午了。天文

学家把同一地方连续2次正午的时间间隔定为1个太阳日。

然后将1个太阳日平分为24份，这样就得到了24个小时，

这是我们普通钟表使用的时间单位。

地球在E 1时，P 点还落在遥远的恒星R 到E 1的连线上，

可以说P 点对准了恒星R 。当地球公转到E 2的时候，P 再次

对准了恒星R 。从E 1运行到E 2，我们经过了23小时56分4

秒。天文学家把这个时间长度为恒星日。恒星日是地球真正的

自转周期。于是，恒星日就比太阳日短了3分56秒。

所以如果我们呆在地球上的某个地点，今晚观察到一颗恒

星在20：00时刚好位于地平线，那么在明晚的19：56，那颗

恒星已经到达地平线上了。这样的微小变化会使不同季节会呈

现不同的星空。

▲习题：

1-3 一部小说写道：“子夜时分，巨大的猎户座从地平线升起，我们悄悄地从襄阳城出发了”，这段话描述的是在哪个季节 （ ）

A 春季

B 夏季

C 秋季

D 冬季

图1-2 恒星日与太阳日

1.5 不同纬度的自转线速度（易）

赤道上的线速度最大，线速度随纬度的增大而减少，两极处最少。（具体推导可参见高中地理和物理课本）。

2．公转（易）

地球绕着太阳旋转的运动称为公转。公转的方向与自转的方向一致，都是自西向东。公转一周需要1年的时间。由于地球的赤道平面和公转的轨道平面并不重合，而是存在一个约为23.5°的夹角（高中课本为23°26′，并把这个夹角命名为“黄赤交角”。），所以地球是“侧着身子”地在公转轨道上自转着。使太阳直射的纬度产生了周期性的移动，产生了四季，也使人们有理由划分出热带等五个热量带。

因为地球的公转，使地球上的人们在每天同一时刻，所看到的星空并不一致。随着时间的流逝，便有了四季星空的不同。人们通过对星空的观察，也推断出太阳在星空中的位置是不断变化的，逐渐形成了“黄道”的概念。

2.1 “回归运动”与昼夜长短（中）

衡量地球公转的时间长度有好几种方案。其中一种称为恒星年（365天6时9分9.5秒），它是地球真正的公转周期。还有一种称为回归年（365.2422日）。其定义的依据是：太阳直射点连续两次直射北（南）回归线的时间间隔。当然也可以表述为：太阳从天球上的春分点出发，经过夏至点、秋分点、冬至点后再次返回春分点所经历的时间。天文学家把太阳直射

纬度周期移动的现场称为回归运动。

为什么夏季时，北半球会“昼长夜短”呢？从图1-4中我们发现北回归线以北地区的纬线，位于昼半球的部分明显长于位于夜半球的部分。这就表明位于那里的人们在一天中，经历白昼的时间要长于夜晚的时间。

我们观察图1-4，还可以找到以下的规律：①夏季

时，南半球昼短夜长。②以北半球夏季为例，纬度越高，

则白昼越长；由于南、北半球季节相反，此时为南半球

的冬季，纬度越高，则黑夜越长。

若我们观察冬至日昼、夜半球的示意图，可以发现

春分 夏至

秋分 春分

昼长夜短

昼短夜长 北半球昼最长，夜最短

冬至

北半球昼最短，夜最长

这个规律：冬季时，北半球昼短夜长，南半球昼长夜短。

若我们观察春、秋分时的状况，可知：①春、秋分时，全球各地昼与夜一样长（昼夜平分）。④赤道地区无论在什么季节，总是昼夜平分的。

在极地地区，我们还会领略到极昼和极夜现象。从春分到秋分，北极圈以北地区出现极昼，而在南极圈以南的地区，则为极夜。至于秋分到次年春分，情况是相反的。纬度越高的地区，极昼持续的时间越长。反之就越短。

▲习题：

1-4 在下面哪个地方，无论春夏秋冬，白天的长度几乎都一样（）

A 南极中山站

B 漠河

C 三亚

D 曾母暗沙

2.2 “回归运动”与正午太阳高度角（正午地物影长）（难）

在南、北回归线上，太阳每年有一次直射。除回归线外的其他热带地区，一年有两次太阳直射。非热带地区没有直射。直射会发生在当地正午，此时竖直物体的影子长度为0。

以夏至日（6月22日前后）为例：广州正午的太阳高度角最大，达到了90°，影子长度为0。而武汉（30°N）、北京（40°N）、哈尔滨（45°N）这三个地方的正午太阳高度角分别依次递减，影子长度依次变长。

海口（20°N），曼谷（13°N），新加坡（1°N）这些广州以南的城市，正午太阳高度角从海口递减到新加坡，影子长度则依次变长。至于南半球，正午太阳高度随纬度增加而减少，影子长度增加。

请掌握计算正午太阳高度角的公式：

正午太阳高度角＝90°－| 当地地理纬度－太阳直射纬度| (1)

◆例1-3：求夏至日，广州从化北回归线标志塔的正午太阳高度角。

◇解：夏至日，太阳直射纬度为0°，所求地点的地理纬度为23°26′，分别代入（1）式，得：

90°－| 23°26′－0°|＝66°34′

◆例1-4：求冬至日，澳大利亚悉尼（33.5°S）的正午太阳高度角。

◇解：冬至日，太阳直射纬度为﹣23°26′，以负值代入（1）式；所求地点的地理纬度为33.5°S，以负值代入（1）式，得：90°－|（﹣33.5°）－（﹣23°26′）| ＝79°56′。

在天文学书籍中，（1）通常写成：h⊙=90°－| ? －δ |，δ相当于太阳的赤纬。

▲习题：

1-5 在北京、武汉、广州三地各放置一套地平日晷，三套日晷完全一样，这三地的地理经度大致相同，在春分日，正午12时，日晷上晷针影子长度由小到大排序正确的是（）

A 北京、武汉、广州B北京、广州、武汉

C 武汉、广州、北京D广州、武汉、北京

2.3 太阳升起、落下方位与季节的关系（中）

我们观察图1-5，可知北半球春分日，太阳从正

东方升起，正西方落下。随后太阳升起的方位逐渐向

东北方移动，落下的方位逐渐向西北移动。其每日移

动的角度大小受地理纬度的影响，纬度越高，移动量

越大。因此一般认为夏至日，太阳从东北升起、西南

落下。

夏至后，太阳升起的方位逐渐向正东方向运动，

到秋分日，再次回到了正东方。随后太阳升起的方位

逐渐向东南方向移动，落下的方位逐渐向西南移动。

我们结合昼夜长短变化的规律，可以发现太阳升

起和落下的方位越靠近北，则白昼就越长，反之就越短。

太阳在天空中运动的方位与当前的时刻有关，我们可以用

指针式手表根据太阳的方位粗略地判断方向。具体做法是：时

针对准太阳，时针与表盘的“12时”所构成的角度的角平分

线大致指向南方（如图1-6所示）。

上述方法的精确程度与季节、地理纬度均有关。

◆例1-5：如果在野外迷路，可以用手表确定方位，上午9点

左右，下面四图中方位判断正确的是（ ）

A B C D ◇解：四个选项中手表时针都指向了太阳，但所判断出的南方却各有不同，按图1-6所示，答案应为C 。

冬至

春、秋分 夏至 图1-5 两分两至点北半球中纬度地区 太阳视运动轨迹图

图1-6 利用手表和太阳粗略确定方向

126126126126南南南南

◆例1-6：夏天的时候“迷糊”先生到北回归线上一个陌生的城市，原以为住所的大门朝向正南，但傍晚在“北面”窗口，发现太阳居然从“正北方”地平落下，那么住所的大门实际朝向是 （ ）

A 东北偏东

B 东北偏北

C 东南偏东

D 东南偏南

◇解：夏天在北回归线地区，太阳从东北偏东方向升起，从西北偏西方向落下。“北面窗”实际朝向为日落方向，即西北偏西方向，因此“南面”大门朝向为东南偏东，答案为C 。

2.4 四季星空的变化（中）

古人很早就发现了四季星空的变化。我国先秦时期的著作《尚书》在其名篇《尧典》中就提到了四季傍晚位于正南方向的星座（即“四仲中星”）。文字节录如下：

乃命羲和，钦若昊天历象——日月星辰，敬授民时。……日中星鸟，以殷仲春……。……日永星火，以正仲夏……。宵中星虚，以殷仲秋……。日短星昴，以正仲冬……。

运用现代天文学知识翻译这段话，大意是：于是（尧帝）任命羲氏、和氏恭敬地按照日月星辰的运转认识天象，把观测、总结出的节令告诉人民，以安排农时，方便耕作。……在白昼和黑夜一样长的日子，傍晚在南方天空正中看到鸟星【长蛇座α星（星宿一）】，可凭以确定春分节令了。……在白昼最长的日子，傍晚在南方天空正中看到大火星【天蝎座α星（心宿二）】，可凭以确定夏至节令了。……在黑夜和白昼一样长的日子，傍晚在南方天空正中看到虚星【宝瓶座β星（虚宿一）】，可凭以确定秋分节令了。……在白昼最短的日子，傍晚在南方天空中看到昴星团【金牛座昴星团（M45）】，可凭以确定冬至节令了。

四季星空的变化是地球公转的反映，关于四季星空的具体知识，我们将在专题二详细谈到。

2.5 太阳的周年视运动（易）

人们很早就注意到，太阳在星空中的位置并不是固定

不动的。于是人们在天球上设置了一个称为“黄道”的圆

圈，用来表示太阳运动。黄道经过了古时的12个星座，

人们便把这些星座叫做“黄道星座”。（目前在天球上，黄

道总共经过13个星座。这是人们重新调整过星座边界的

缘故）

在哥白尼时代之前，人们把太阳在星空中的运动作为

“地心说”的证据。随着日心说的确立，人们用图1-7来

解释这种运动，并将其命名“太阳的周年视运动”。

★思考：

1-3 观察星图模拟太阳的周年视运动，回答以下问题。

（1）太阳在黄道上的运动方向是怎样的？

（2）2013年10月15日，太阳运行到哪个黄道星座？1月15日呢？

图1-7 太阳周年视运动

本专题综合练习题

（1）在地球上可能出现“日中无影”现象（晴天的时候中午人在太阳下面没有影子）的地区的纬度是（）。

A 0度

B 南纬23.5度和北纬23.5度

C 南纬23.5度到北纬23.5度之间

D 南纬90度和北纬90度

（2）下列关于各节气的含义描述不正确的是（）

A 惊蛰的含义是春雷乍动，惊醒了蛰伏在土中冬眠的动物。

B 小满是在芒种之前的一个节气，是指麦类等夏季熟作物灌浆，乳熟，籽粒开始饱满。

C 处暑是反映气温变化的一个节气，“处”有终止的意思，表示炎热的暑天结束了。

D 冬至那天太阳赤纬为0度，阳光几乎直射南回归线，是北半球一年中白昼最短的一天。（3）元旦时在福州看到的日出和日落的方位是（）。

A 东南升起，西南落下

B 东南升起，西北落下

C 东北升起，西南落下

D 东北升起，西北落下

（4）天体的周日视运动都是东升西落，以太阳和天狼星为例，在同一地点观察其运动，下面表述正确的是：（）

A 夏季日出的方位比冬季的更偏北，天狼星升起的方位与季节无关。

B 夏季日出的方位比冬季的更偏南，天狼星升起的方位与季节无关。

C 夏季日出的方位比冬季的更偏北，天狼星的情况也相同。

D 夏季日出的方位比冬季的更偏南，天狼星的情况也相同。

（5）北京故宫的乾清宫高大深邃，阳光不能直射屋内的“正大光明”匾，但是在（）日，阳光可以从地面反射照在匾上。

A 春分

B 夏至

C 秋分

D 冬至

（6）假如从地球上发射一艘宇宙飞船，若在人为因素一致的情形下，下列那个地点发射宇宙飞船耗费的能源最少？（）

A 广州

B 上海

C 北京

D 西昌

（7）家住福州的你在某天晚上20点看到天狼星在正南方，在一个月前也是晚上20点你记得你看到的天狼星是在哪个方向？（）

A 正东

B 正西

C 东南

D 西南

（8）太阳周年视运动的实质是对什么的反映？（）

A 地球自转

B 地球公转

C 太阳自转

D 太阳公转

（9）在福州5月份的时候，太阳从___________升起，__________落下。