地球概论实验指导书

《地球概论》实验实习指导书

实验一、天球仪的构造和运用天球仪演示天体运动

[实验目的及要求]

了解天球仪的构造，掌握运用天球仪演示天体视运动的动作技能。

[实验原理]

1、概述

天球仪是以观察者为中心，以圆球表示天球的教学仪器。它在天文、地理教学上，可帮助了解天球的各种坐标、时间的概念；能形象地理解天象与季节和时间、星象和地理纬度的关系；太阳在天球上位置的变化；也可用来求解实际的天文问题。TY一1型天球仪吸取了中外天球仪的优点，并对内容的表达、工艺的设计作了改进：用深兰色将球体突出，以衬托浅兰色的银河；用鲜艳的粗红线和粗黄线分别表示天赤道和黄道；在黄道上红圈表示太阳的位置，与我国的二十四节气阳对应。TY——1型天球仪星等分级明显，用黄色清晰地显示在深兰色的球体上，给人以满天星斗的臆想效果。仪上内容多于高等院校所用的教材，且专业内容也较丰富。TY—l型天球仪尤其适合于师范院校的天文系、地理系和中学讲授地球概论之用。也可供天文、气象、航海等专业单位和科研机关参考。

2、天球仪的构造

天球仪由球体、底座、支架、子午圈、地平圈及高度方位架等组成。天球仪用粗红线表示天赤道，它的上方标有赤经度数，它的下方标有恒星时数。每隔15度有一赤经圈。以春分点为零度绕天赤道一周为360度。以天赤道为零度向南北两天极，每隔10度有—赤纬圈。到南北天极均为90度。赤道经度和赤道纬度组成了赤道坐标网。

天球仪用粗黄线表示黄道。在它的上方标有以10日为间隔的月份和日期。用红圈表示太阳在二十四节气时的位置。

天球仪上还标有银道和南北两银极。

在天球仪上，全天共分88个星座，并用粗红虚线勾划出星区界线，它与粗红的天赤道和粗黄的黄道一起，以十分醒目的形式给教学带来方便。全天恒星分为四等，并标有著名星团、星云和变星等内容。并按中外习惯将各星座内的恒星用实线联接起来，以便辨认。

3、天球仪的用途和用法

天球仪用于：

（1）查阅和辨认星座和恒星。

（2）找出某恒星的赤经和赤纬，或已知赤经和赤纬找出某恒星。

（3）求两星之间的角距离的近似值。或已知恒星时(或真时、平时、标准时)求某恒星的时角。

（4）找出某日太阳的黄经、赤经和赤纬，或求知某天太阳出没的时刻、方位、高度及昼长、夜长的时间。

（5）已知地理纬度：求已知恒星时(或真时、平时、标准时)的某恒星的高度和方位角。或从恒星的地平坐标求当地的恒星时（或真时、平时、标准时)。或已知恒星时（或真时、平时、标准时）求知天象。

（6）各种坐标的换算。

天球仪用法要则：

（1）、纬度校正：使子午圈靠近地平圈的度数等于某地的地理纬度，然后移动天球仪，使地平圈上的方向与某地方向一致，再使球上已知点转到自己的位置上时即已校正完毕。

（2）已知地方恒星时，使天球仪与实际天空相符：在作了纬度校正后，耙与已知恒星时相同的赤经时数转到子午圈下，即使春分点的时角等于这个已知恒星时就行。

（3）已知真时的校正：把该日太阳在黄道上的位置转于子午圈下，记下其在子午圈下的赤经时分，然后加上已知真时，再减去12时，所得结果为已知真时的子午圈读数。转动球体，把赤道上上述墩值转到子午圈下。这样球上各星点与实际天空相符。

（4）已知地方平时，则加上时差成真时，再按3校正。如已知标准时，则按经度变为地方平时。

总之，已知时间而求解的问题，主要是测定子午圈和天球上某一时圈之间的角度的，子午圈这里代表观察地点的子午圈。同时还应熟知下列关系：

（1）所有时间都是以天球上一点的时角的连续增加来量度的。

（2）地方恒星时等于春分点的地方时的时角。

（3）地方真时(或地方平时)等于太阻的地方时角 (或平太阳的地方时角)加上12时。地方平时又等于世界时加上(格林尼治以东)或减掉(格林尼治以西)某地子午线与格林尼治子午线间经度差(以时间来表示)。

（4）北京时间(东经120度的标准时)等于世界时加上8时。知道观察者所在地的经度，把标准时化为地方平时。

例一：找出某一恒星的赤经和赤纬。

把该恒星转到上中天，从赤道上读出赤经，从子午圈的刻度上读出赤纬即可。

例二：找出某日太阳的黄经、赤经和赤纬。

太阳每日的位置标在黄道上，则黄经数可在黄道度数上读出。太阳的赤经和赤纬，按例一方法读出。

例三：找出两星间的角距离的近似值的原则。

低纬度：用两脚规量得两星间的距离，再移规于黄道上所得弧长即为所求。高纬度：用两脚规求得两星间的距离长后，在最接近两星的纬度圈上按已得距离长得两点。求此两点的赤经差化为度数即得角距离的近似值。

例四：已知恒星时，求天象。

调整天轴，使天极与地平夹角相当于该地的地理纬度，转动球体使子午圈读数等于已知恒星时，也就是使春分点的时角等于恒星时。这时天球仪上的天象即和真实天空相符合。此后也可根据各星点的方位角、高度进行辨认、查对恒星和星座。

例五：已知恒星时(或真时)，求某恒星的时角。

原则①、已知恒星时减该恒星的赤经等于该星的时角。如已知的恒星时小于该恒星的赤经时，可先加上24时再减去赤经即得要求的时角。

原则②、已知真时则把该日太阳所在之点转至上中天，读出太阳赤经，再转动天球使该日太阳的时角等于真时减去12时，所得的差即为恒星时，然后根据原则①，求出该恒星的时角。

例六：已知标准时，求某恒星的时角。

原则，应用经度的换算求得相当的平时，再运用时差(加或减)把相当于平时

的真时求出，再把真时减去12时得太阳时角然后加上太阳赤经求得恒星时，最后按例五原则①求解即得时角。

在沈阳(经度：东8时14分)当10月30日“北京时间”18时30分，求天狼星的时角。北京时间 18时30分

按经度换算沈阳平时应为 + 14分

沈阳平时 18时44分

加时差(+17分) + 17分

真时 19时01分

减去12时 --12时

太阳时角 7时01分

太阳赤经(从球上估出) +14时14分

沈阳恒星时 21时15分

天狼星赤经—6时43分

天狼星时角 14时32分

主要公式：恒星时=时角+赤经

太阳时角+12时=真太阳时。

例七： 10月30日昴星团在沈阳上升的真时是多少?(沈阳：北纬42度东经8时14分)

把天球仪的中心轴按北纬42度调整，使昴星团出现在东方地平面，这时子午圈读数为20时8分。10月30日太阳的赤经为14时14分，所以， 20时8分一14时14分+12时二17时54分即为昴星团在10月30日沈阳上升的真时。

例八：求4月30日沈阳的昼长及太阳出没的真时。

把天球转至(4月30日时)东方地平面，则其赤经为19时33分，转至西方地平面时，则其赤经为9时17分。那未该日沈阳昼长为9时17分+24时一19时33分二13时44分(恒星时的时间)。合平太阳时的时间为13时42分。该日太阳的赤经为2时25分。则19时33分一2时25分一12时=5时8分即为日出真时。9 时17分一2时25分+12时=18时52分即为日落真时。

例九：求大角星的黄道坐标。，

调整天轴，使地平圈北点上的子午圈度数为66、5度，转动球使秋分点在地平圈西点，使高度方位架有刻度一面通过大角星中心。用游标卡量得高度为30‘(即为黄纬)，在该平面与地平圈的交点读出黄经(在黄道上读)为203度。如恒星在黄道以南，则只要调整天轴，使南天极向上，与地平圈的南点成66、5度角距离。使春分点在地平圈西点即可量出黄纬和读出黄经。

例十：求北河三的银道坐标。

调整天轴，使地平圈北点的子午圈度数为28度，转动球使银道180度之点在地平圈上的西点(即使银道平面与地平圈平面一致)。如例九方法求得银纬为24度，银经为159度。如恒星在银道面另一面，则使南天极向上，使天轴与地平面南点成28度角距离，转动球使银道0度在地平圈的西点，同理可量得银纬和读出银经。只不过黄纬和银纬都有正负之分而已。

4、注意事项

（1）拿天球仪时要拿底座，不可以拿地平圈或子午圈。以防损坏支架等。（2）因球体为纸质的，故防止与尖状硬件相碰撞。

（3）球面应保持清洁，如有灰尘，可用干净湿布擦净。

（4）仪器应存放于阴凉、干燥、通风处。

[实验仪器及用品]

主要有天球仪、星图。

[实验内容及步骤]

1、了解天球仪的构造。

2、掌握天球仪的用途和用法。

3、天体视运动演示要领。[实验总结]

1、整理观察记录。

2、区别不同类型的天体。

3、天体视运动演示要领。

实验二、星空观测和行星的辨认

[实验目的及要求]

1、通过观察实践，加深对天球、天体、星座、星云和天体的运行等概念的认识。

2、通过实地观察，认识学校所在地天空主要的星座（10个以上）。

3、通过观察活动，辨别和熟悉学校所在地天空主要的恒星、行星、星云以及临时可能看到的流星。了解星星的分布格局，并掌握星空指示的时间、方向、变化规律和星图的用法。

[实验原理]

1、星空分布大势

为了对全天星座分布大势有一个全局性的认识，将星空按赤经分为“四大星区”(见图2)。每一星区跨赤经6h,各以其拱极星座或著名星座命名，从0h赤经线开始，自西向东依次为仙后星区、御夫星区、大熊星区、天琴星区，简称“后、御、熊、琴”。现将四大星区的主要星座和亮星的特征于表1。

2、星空变化规律

(1)由于地球自转，产生了星空的周日变化，即恒星在同一天中不同时刻的方位和高度有所不同。

(2)由于地球公转，产生了星空的周年变化，地球每日东移1°相对于星空则每日西移1°，需4分钟，一个月提前2小时，一年后重归原位。

(3)不同纬度观测者所观测到的星空区域不同，两极地方，只能见到半个天球的星，赤道地区，可见全天球的星。纬度越低可见的星越多。曲靖理论上只能观察到赤纬-64°以北的恒星。

表1、1四大星区、主要星座、亮星及特征

3、四季星空

事实上一年中的任何季节都适宜观星，只是不同季节星座的出没情况不同。这里以北半球为例分述不同季节天空的主要星座。

图2 四瓣简明星图

(1)春季星空春季出现的主要星座有：狮子、御夫、猎户、牧夫、室女等星座。大熊、御夫两星座分别位于子午圈的东西两侧，占有可见天空的中部、东部、西部和南部。天琴、仙后两星区一小部分可见，出现在北天的低空(图3)。偏东天空有大熊、狮子、室女和牧夫等星座。偏西天空有御夫、双子、金牛、猎户、大犬、小犬等星座，亮星较多。天顶附近有亮星北河三(双子座)南河三(小犬座α)。狮子座最引人注目，初春的黄昏它便出现在东方，状如一匹伏着的狮子。在弯曲的狮子头上，有颗明亮的星，即主星轩辕十四。其东南面为室女座，其中有一蓝色的一等星，叫角宿一。南面为室女座，其中有一蓝色的一等星，叫角宿一。

（2）夏季星空夏季出现的主要星座有：牧夫、武仙、天琴、天鹰、天鹅、天蝎、人马、室女等星座（图4）。天琴、大熊两星座分别位于子午圈的东西两侧，占有可见天空的中部、东部、西部和南部。仙后、御夫两星区一小部分可见，出现在北天的低空。偏东天空有天琴、天鹰、天鹅、天蝎和人马等星座。偏西天空有大熊、狮子、室女等星座，天顶附近有一个有5颗亮星组成的大风筝的星座，即牧夫座；风筝形尾部最亮且带浅红色的星就是大角星。7月，武仙座接近天顶，形如大蜘蛛，扑向北方。但武仙座没有什麽亮星。离武仙座东边不远，便是天琴座，它好像一个平行四边形，其北端是织女星，是蓝色的一等星。也是夏秋季节北天空最亮的一颗星。天琴座南偏东与织女星隔一银河的那颗星，就是天鹰座а（河鼓二），俗称牛郎星。它由三颗星连成一线，中央一颗较明亮。从天琴座，武仙座传到南方是最注目的天蝎座，主星心宿二，是红色一等星，古称“大火”。

在心宿二正东面黄道上，是人马座，它是银河坐标系的起始位置。辨认时，可先

找银河，再找位于银河最密处的人马座。

图3 春季星空

图4 夏季星空

（3）秋季星空秋季星空出现的主要星座有：天琴、天鹅、仙女、飞马、仙后、天鹰、天蝎、人马、南鱼等星座（图5）。仙后、天琴两星区分别位于子午圈的东西两侧，占有可见天空的中部、东部、西部、南部；御夫、大熊两星区一部分可见，出现在北方的低空。偏东的天空有仙后、仙女、飞马等星座；偏西天空有天琴、天鹅、天鹰、天蝎和人马等。天琴座和天鹅座长时间停留在天顶附近，天鹅座形如十字，其长轴的北端，唯一等星元津四。仙女座、飞马座及其所组成的大四方形的南方，有一较小的像躺下的勾一样的星座，便是南鱼座。“鱼头”

有一红色的一等星，名北落师门。

图5 秋季星空

图6冬季星空

（4）冬季星空冬季，明亮的恒星最多，主要有仙后、英仙、金牛、御夫、双子、猎户、大犬、小犬等星座（图6）。御夫、仙后两星区分别位于子午圈的东西两侧，占有可见天空的中部、东部、西部和南部；大熊、天琴两星区一小部分可见，出现在北方的低空。偏东天空有金牛、御夫、双子、猎户、大犬、小犬等星座，亮星较多；偏西天空有仙后、仙女和飞马等星座。在仙女座的东面是英仙座，英仙座南面是金牛座，它的牛眼是一颗一等的红星，名叫毕宿五。金牛座东面的黄道上有一长方形的星座，叫双子座。其中有两颗亮星，一名北河二是淡蓝色的，一名北河三呈深黄色。南面的天空要算猎户星座组最美丽，它外形如一长方框，中央斜列着三颗光星，三星排列成一直线，形如猎人的腰带，它的肩上为红色的参宿四，膝部为蓝色参宿七，腰带三星的南面有一暗光雾点象征着猎人的剑，其实是猎户座的一团星云。由猎户的腰带三星直指东南部不远就是著名的大犬座得天狼星。天狼星、参宿四和南河三形成一个等边三角形，南河三在双子座两光星的南面。

[实验仪器及用品]

主要有天球仪、星图、手电筒和硬纸板做的喇叭形观测筒。手电筒最好用红布包住。有条件的学生可自备小型双目望远镜。

[实验内容及步骤]

1、选定好时间。一般应选定在月初或月末晴朗的夜晚。观察时要求“天空不明不暗”晴朗无云，天空有些月光。月光可以遮蔽暗黑，利于观察。

2、选定好地点。选择合适的观察点，观察点居高临下，周围没有较高的障碍物和强烈的光线干扰；一般以高楼顶部或开阔的操场上为宜。

3、室内认识并熟悉天球仪和星图等所要使用的仪器和设备，并初步掌握所要观测星座和天体的大致方位；

4、现场巩固有关天穹、天球、天体、星座、星等、地球和天体运行的方向等概念；

5、在首先找到和初步认识银河、北斗（仙后）和北极星的基础上，借助喇叭筒和手电筒的指引，分区逐个认识仙后（大熊）、仙女、天鹅、天琴、天鹰、飞马、双鱼、金牛、猎户、双子、御夫等主要星座。

6、对大熊座（仙后）天球方位的变化进行观察前后的比较（观察开始时提醒学生注意），使学生理解和体会天体（天球）的运行。

[实验总结]

1、整理观察记录。

2、绘出观测时主要星座的亮星连线图，认识主要星座。

3、区别不同类型的天体。

实验三、月球观测与月相变化规律性分析

[实验目的及要求]

1、通过望远镜直接观察月面，了解月面正面形态及其结构特征，印证有关月球表面结构特

2、通过观测月相的变化及其出没时间和方位，掌握月相变化的规律征的知识。

[实验原理]

月球表面高低起伏，从地球上可以清楚地看到月面上有些地区比较明亮，而另外一些地区比较黑暗。各种结构的特征及其在月面的部位，参见下图。

观察月面的最好时机，是在上、下弦前后。因为此时对于月面中部，太阳光是斜射的，月面上的山地都有明显的阴影，我们就能看到月面上更细的形态结构。若观察月球的全貌，则满月时进行。观察月面一般用较低的倍率放大镜（通常使用两倍分辨放大率的目镜）。如果倍率过高，光线就较暗，月面形态就不清楚了。

[实验基本仪器及用品]

天文望远镜、月面图、简明星图、电筒和遮光红布、笔记本等

[实验内容及步骤]

用望远镜观察月面结构，主要有月海、山脉、环形山和辐射纹等。

1、做好知识准备，熟悉所要观测的相关月面知识。

开始观测前，先在绘图纸上画一直径为10cm的圆表示月面。在圆上画出它的明暗线，并标出月面的东、南、西、北四个方位，连接南北、东西二线段相交于圆心，将月面划分为四等分，分别以A、B、C、D代号命名。同时，用遮光红布包住电筒前端，以备室外观测画图是使用。

2、正确选择望远镜放大倍率（倍率不宜过大）。

3、用望远镜观察月面的形态特征（月海、环形山、辐射纹等），将所看到的月面形态结构记录在圆内，并分析月面的形态特征。

当月面某一部分出现在月球明暗交界附近时，太阳光斜射观测目标，使月面的凸起部分出现特别黑暗的影子，使环形山和山脉的形态显得非常清晰。所以对月球正面的观测，除在满月前后集中草绘其明暗区以外，还可选择一些著名的环形山和山脉作为重点观测目标，当这些目标出现在月球明暗线附近时，观察它们的形态特征。

4、记录观察日期、时间、地点和所用仪器，并注明月相的农历日期。

[实验总结]

1、观察月面，将观察结果填在直径为10cm的圆内，并详细记录观察日期、时间、地点、使用仪器、放大倍率月相农历日期。

2、分析月面的形态特征。

3、总结月相变化规律