《地球概论》教案龙晓泳.docx

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《地球概论》教案龙晓泳

《地球概论》

课程教案

主讲：

龙晓泳

适用班级：

2012级地理师范3班

2012级地理师范4班

地理科学学院

二〇一二年九月

绪论

[授课题目]绪论

[教学时数]6

[教学目标]：

了解地理学和天文学的学习方法

熟悉天文学的研究意义

熟悉中外天文学发展史

[教学重点和难点]

教学重点：

古代天文学史，近代天文学历史

教学难点：

近代天文学史，中国天文学史

[教学方法和手段]

讲授法，参观法，阅读法

[教学内容与过程]

第一节地理学概述

一　地理学研究对象

1对象：

研究地球表层自然环境和人地关系特征、联系和分异规律的科学，

2方法：

以综合性、区域性、系统性为特点，并拥有地图学，遥感和地理信息系统等现代技术手段，

3目的：

最终通过评估、预测、规划、管理、优化、调控，合理开发和利用环境，保持人地关系和谐、保障社会的可持续发展

二地理学的学科层次

数学、物理、化学、天文学、地球科学、生命科学六大基础自然学科。

地球科学:

大气学、地理学、地质学

三地理学的学科分类

1理论分类

2应用分类

四地理学的发展趋势

１数量革命：

数理化

2系统革命：

一专多能

3区域倾向：

学科特点

4人本主义：

终极目标

第二节天文学概述

一天文学研究对象和内容

1研究对象：

天体（自然天体和人造天体）

大气圈顶（天文学和地球科学的研究界限）

2研究内容：

研究天体的位置与运动

研究它们的化学组成、物理状态和过程

研究它们的结构和演化规律

研究如何利用关于天体的知识造福人类

二天文学的分支

1天体测量学

2天体力学

3天体物理学

三天文学研究方法

被动观测－理论－主动观测

1多度时空系统

2物理条件复杂

3观测技术制约

4理论依赖模型

5全球密切合作

四天文学研究意义

1哲学层次

2科学层次

3应用层次：

授时编历，年代考证，测量导航，太阳活动预报，近地小行星监测，人造卫星，空间探测

第三节天文学简史

一古代天文学的发展

1天文学的起源

（1）生产生活的需要

日月年的意识——编制历法

（2）政治的需要

占星术（炼金术）

（3）自身求知欲的需要

2古代天文学

（1）古埃及

天狼星偕日升起－天狼星年-尼罗河泛滥

公元前27世纪360天

13世纪365.25，4年一闰（现代阳历的前身）

金字塔的方位确定

（2）巴比伦和亚述

公元前17世纪阴历

公元前13世纪黄道12宫

公元前650年7天神轮流值日－现代星期制度

（3）古印度

公元前10世纪恒星月27天（27.32），朔望月29.5（29.53）

季节划分（三季，六季）

黄道天区划分成27月站（恒星月周期）－28宿

宇宙观：

大地中央是须弥山，日月星辰绕山旋转

（4）古希腊

1）宇宙理论和天体运动理论

①泰勒斯（公元前6世纪－公元前5世纪）：

主要贡献是把巴比伦和埃及的天文学知识介绍到希腊。

球形天空，星辰随同天空绕北极星旋转

②德谟克力特（公元前460-公元前362）

万物由原子组成，天体由原子涡动形成，月光为反射光，银河是由众多恒星聚集而成

③毕达哥拉斯学派（公元前560－公元前480）

宇宙是由数支配的和谐统一体，天体为球形，运动轨道是圆形。

④柏拉图（427B.C.－347B.C.）同心球宇宙结构模型。

地月日水金火木土，欧多克斯的水晶球

⑤亚里斯多德（384B.C－322B.C）地心说系统化延续近2000年

⑥阿利斯塔克（310B.C－230B.C.）首次提出完整日心地动学说

⑦阿波罗纽斯（262B.C－190B.C.）本轮与均轮

⑧托勒密（85-165）撰写《天文学大成》之后被称为经典

2）天文观测和测量

①阿利斯塔克:

日地距离与月地距离的关系

②埃拉特色尼（276BC-195BC）:

测地球周长，黄赤夹角

③伊巴谷（前2世纪初-127BC）：

–月地距离与地球半径（59-67.3）

–回归年长度（365.25-364.33）

–太阳周年视运动的不均匀性

–岁差现象

–编制星表，标注星等

二近代天文学的发展

1从日心体系到牛顿力学

（1）哥白尼日心体系的建立

哥白尼（1473－1543）《天体运行论》彻底否定了托勒密的天文体系

意大利布鲁诺伽利略

（2）伽利略与他的望远镜

伽利略（1564-1642）1609年最先用自制望远镜观测月亮，土星光环，木星卫星、金星盈亏和自转的黑子，发现银河系—天空哥伦布

德国开普勒（1571-1630）行星运动定律—天空立法者

（3）牛顿和他的力学体系

英国牛顿（1642-1727）利用自己创立的微积分理论，发现了三大运动定律和万有引力定律——天体力学

2近代天文学的继续发展

（1）太阳系起源与演化假说

康德（1755）－拉普拉斯（1796）星云假说

（2）天体测量学的成就

1）恒星自行的发现英哈雷（1717）

2）光行差和章动的发现英布拉得雷（1728）

3）恒星视差的发现俄斯特鲁维（1836）织女星贝赛尔（1838）天鹅座61

英亨德森（1839）人马座a

（3）天体力学（拉普拉斯1799-1825）

（4）天王星和海王星的发现：

赫歇尔1781，亚当斯等1846

（5）银河系观念的证实：

赫歇尔1785

三现代天文学的发展

1天体物理学的诞生：

分光，测光，照相术

2恒星研究的新进展：

（赫罗图）恒星结构与演化

3河外星系的确证和现代宇宙学的诞生：

柯蒂斯，沙普里，哈勃

4现代天体测量学的发展：

测量仪器：

激光测量，原子钟，卫星测量：

地球自转不均匀

5现代天体力学的发展：

（1）人造卫星摄动理论，

（2）相对论天体力学

6射电天文学的诞生和发展：

央斯基（1931），赖尔（综合孔径）

7空间天文学的兴起和发展：

（1）空间全天候全波段观测；

（2）银河系和河外星系研究

成果（3）宇宙演化学研究

第四节中国天文学

一中国天文学的发展阶段

1萌芽（公元前5000－西周）

2体系形成（春秋－秦汉）

3繁荣发展（三国－五代）

4从鼎盛到相对滞后（宋初－明末）

5中西方天文融合（明末－鸦片战争）

6近现代发展

二中国天文学的成果

1中国古代历法

（1）主要特点：

干支纪日，干支纪年，岁星纪年，二十四节气，重视朔的推算，内容广泛

（2）主要历法：

古六历（颛顼历）古四分历19年7闰

太初历汉武帝落下闳24节气，无中气闰

大明历南北朝祖冲之岁差、恒星年/回归年

大衍历唐僧一行太阳不均匀运动二次内插

授时历元郭守敬最精确最先进最长久

2天象观测记录

（1）恒星观测与星表绘制：

甘石星经121世界最早星表

唐敦煌星图1350世界最早星图

南宋苏州石刻天文图1440较早科学星图

（2）日月食：

殷商甲骨文千次世界最早公元前21世纪

（3）慧星：

2000次，秦以来哈雷连续23次回归

（4）新星和超新星：

公元前1300-公元170068次

（5）流星和流星雨：

5000条，500次陨石降落史料

（6）太阳黑子：

公元前28年，世界最早

（7）宇宙理论

3古代天文仪器

（1）测日仪器－圭表

（2）测星仪器－浑仪和简仪（西汉落，元郭）

（3）计时仪器－日晷和漏壶

（4）示天仪器－浑象、水运仪象台

[作业布置]

阅读《大众天文学》，预习“第一章”坐标系统

第一章坐标系统

[授课题目]第一章坐标系统

[教学时数]6

[教学目标]：

熟悉球面坐标系的构成要素

掌握地理坐标系的特点

掌握四大天球坐标系的基本圈点、度量值以及度量方向

掌握四大天球坐标系的区别和联系

[教学重点和难点]

教学重点：

天球坐标系

教学难点：

天球坐标系的区别和联系

[教学方法和手段]

讲授法，演示法（天球仪，天象厅）

[教学内容与过程]

第一节球面坐标系

　　1基本圈：

基圈、始圈、终圈

　　2基本点：

原点、极点、介点

　　3度量数值：

经度和纬度

　　4度量方向：

经度度量方向——向东或向西

纬度度量方向——向基圈两极

第二节地理坐标

一经线和纬线

经线：

通过地轴地球表面两极相交

纬线：

垂直地轴地球表面互相平行

度量起点：

本初子午线、赤道

二地球的方向

十二地支——地平方向

1南北定义：

以地理南北极点为参照（南辕北辙）

2东西定义：

以地球自转前方为东（西行东达）

三地球的距离

1Km=地球周长/400*100

1°纬度差＝111.11km

1′纬度差=1海里=1852m

1°经度差=111.1*cosφ（纬度）

四纬度和经度

地理纬度：

本地与地心连线-赤道面;线面角

地理经度：

本地子午面-本初子午面;面面角

重庆29.35°N,106.33°W

第三节天球坐标

一天球的定义

天球是研究天体视运动的一个理想圆球面。

（１）天球中心可选为地心、日心等

（２）天球半径无穷大

（３）天体在天球上位置为从球心出发在球面上投影

（4）地面不同点观测同一天体的视线方向平行　

二天体在天球上的视运动

1天体在天球上视运动的成因:

=观测点（地球）的运动以及天体的真实运动

（1）地球的运动：

自转和公转

（2）天体的运动:

恒星基本不动;太阳基本不动;行星绕太阳公转,月亮绕地球公转

2天球天体的视运动形式

（1）天球天体整体视运动-周日视运动

“地转而天旋”

旋转轴：

天球绕极轴运动

旋转方向：

天球--自东向西

讨论一：

不同纬度的天球运动

讨论二：

不同方位的天球运动

（2）天球上天体的相对运动-周年视运动

讨论三：

地球快速自转停止时：

A太阳系外天体：

保持静止作为背景恒星

B太阳系内天体：

相对背景恒星沿黄道大体自西向东运动

随天球做快速周日视运动过程中，太阳系天体的公转导致其在天球上相对运动被掩盖而显得不明显。

只有排除地球自转的影响，这种运动才可逐步显现出来（视频）

三天球坐标系

1天球坐标系的要素

（1）基本圈:

地平圈，黄道，赤道

（2）基本点:

第1组：

地平圈与天赤道;第2组：

天赤道与黄道

（3）方向:

更接近天北极更“北”;天球周日视运动前方为“西”

（4）距离:

天体投影（半径无穷大，只有角距离）

2天球坐标系的分类

2.1地平坐标系

（1）用途：

跟踪天球周日视运动中天体方位和高度变化

（2）圆圈系统：

地平圈：

（基圈）

极点-（Z－Z’）

四分点-（N,S）（E,W）

子午圈:

（辅圈）

子圈（Z－N－Z’）

午圈（Z－S－Z’）

卯酉圈：

（辅圈）

卯圈（Z－E－Z’）

酉圈（Z－W－Z’）

（3）原点：

始圈－午圈

原点－南点

（4）度量值

高度：

（h）0~±90º

方位：

（A）0-360º向西度量

南西北东

0º90º180º270º

（5）度量机理

地球自转造成子午圈与天体所在经圈的夹角逐渐增大，即天体方位与时递增

2.2时角坐标系

（1）用途：

跟踪天体周日视运动坐标值的变化,用于时间度量

（2）圆圈系统：

天赤道：

（基圈）

极点（P-P’）

四分点（E-W）（Q-Q’）

子午圈：

（辅圈）

子圈（P-Q’-P’）

午圈（P-Q-P’）

六时圈：

（辅圈）

东六时圈（P-E-P’）

西六时圈（P-W-P’）

（3）原点：

始圈－午圈

原点－上点

（4）度量：

赤纬δ（-90º～90º）时角t（0-24h）向东

上点0h，西点6h下点12h，东点18h

（5）度量机理:

地球自转导致始圈（午圈）变化，导致天体时角的变化。

“与时俱增”

例题

已知：

重庆和伦敦的地理坐标为

（30°N，117°E）和（50°N，1°W）

1重庆及伦敦春分日太阳出升、中天以及日落的地平坐标？

2重庆及伦敦春分日太阳出升、中天以及日落的时角坐标？

3为什么地平坐标的经度值（方位）不能用来度量时间？

2.3赤道坐标系

（1）用途：

跟踪天体在天球上的相对运动

（2）圆圈系统：

天赤道（基圈）,二分圈（辅圈）,二至圈（辅圈）

（3）原点：

原点－春分点;始圈－春分圈

（4）度量值：

纬度：

赤纬（同时角坐标系）:

经度：

赤经（α）向东度量0h－24h

（5）度量机理

度量值为相对固定天体与相对固定的春分圈的夹角，向东度量，坐标值不受地球自转影响

2.4黄道坐标系

（1）用途：

表示黄道附近天体位置运动

（2）圆圈系统:

黄道,无名圈,二至圈

（3）原点:

春分点,始圈－无名圈

（4）度量值：

纬度：

黄纬（β）经度：

黄经（λ）向东度量

春分点0º夏至点90º秋分点180º冬至点270º

（5）度量机理：

天体黄经取决与相对固定天体与相对固定春分点在黄道上的夹角，与地球自转无关。

“与日俱增”

例题

已知：

重庆和伦敦的地理坐标为

（30°N，117°E）和（50°N，1°W）

1重庆及伦敦春分日和夏至日太阳出升、中天以及落下的赤道坐标？

2重庆及伦敦春分日和夏至日心宿二出升、中天以及日落的黄道坐标？

3天球坐标系的联系

（1）地平坐标系和时角坐标系

Ø度量基准：

地平圈（子午圈，卯酉圈）午圈南点（远距点）

天赤道（子午圈，六时圈）午圈上点（远距点）

Ø度量数值：

地平坐标系高度和方位

时角坐标系赤纬和时角

Ø度量方向：

自东向西（右旋）

Ø度量机制：

地球自转－午圈－经度

Ø用途：

记录天体周日视运动

仰极高度＝天顶赤纬＝当地地理纬度=上点天顶距

（2）赤道坐标系与黄道坐标系

Ø度量基准：

天赤道（二分圈，二至圈）春分圈春分点（交点）

黄道（无名圈，二至圈）无名圈春分点（交点）

Ø度量数值：

赤道坐标系赤纬和时角

黄道坐标系黄经和黄纬

Ø度量方向：

左旋（自西向东）

Ø度量机制：

天球天体相对春分点的变化

Ø用途：

记录天体位置和跟踪天体周年视运动

（3）时角坐标系与赤道坐标系

基圈相同，方向相反

恒星时＝春分点时（定义）

S＝t♈

春分点时角=恒星时角+恒星赤经

t♈＝t☆＋α☆

当恒星中天时，t☆＝0

S＝t♈＝α☆

[作业布置]

1第一章“坐标系统”课后所有习题

2绘制四大天球坐标系的基本圈点系统

第二章时间系统

[授课题目]第二章时间系统

[教学时数]8

[教学目标]：

掌握时间计量系统的发展；

掌握世界时计量系统的分类；

掌握时间计量系统之间的换算；

了解时间服务的流程；

掌握历法的种类和制历原则。

[教学重点和难点]

教学重点：

世界时计量系统的分类与换算，历法的种类和制历原则。

教学难点：

历法的种类和制历原则

[教学方法和手段]

讲授法，讨论法，探究法

[教学内容与过程]

第一节时间

一时间概述

1时间本质

n

（1）牛顿绝对时空观:

时空独立于物质和物质的运动

（2）爱因斯坦相对论时空观

1905狭义相对论不独立于物质的运动

1915广义相对论不独立于物质

2时间计量

（1）量时内容：

时间间隔和时刻

（2）量时标准：

物体运动

（3）量时原则：

周期性、稳定性和可测性

（4）量时范围

二时间计量系统的发展

1世界时（UT）

（1）分类：

真太阳时，平太阳时和恒星时

（2）参考运动：

地球自转,（真太阳，平太阳，恒星）视运动

（3）基本单位：

时秒，测量容易

1时秒=（真太阳日、平太阳日、恒星日）/86400

2历书时（ET）

（1）历书时：

力学时，1960-1967

（2）参考运动：

地球公转（美-纽康）:

太阳的周年运动-月亮运动

（3）基本单位：

1历书秒，秒长固定，精度提高10倍

1历书秒=1回归年/（365.*24*60*60）

地球公转周期不稳定，需长期测量

3原子时（ATI）

（1）原子时：

1967年国际计量大会

（2）参考运动：

原子内部能级跃迁产生的电磁波的频率

（3）基本单位：

秒长固定

1国际制秒=铯原子振荡9192631770次

4协调世界时（UTC）

（1）由来：

文导航~时刻天文意义~世界时

物理较频~时段的均匀性~原子时

（2）定义:

以原子秒为秒长，在时刻上与世界时相差不过±0.9s的世界时称为协调世界时（UTC，coordinateduniversaltime）

（3）协调方式

1）调整原子钟的秒长:

使其长度接近当年的平太阳秒，一年内保持不变，秒长又变得不均匀，每年都要改变，极不方便（1960-1971年）

2）拨动原子钟的指针：

协调世界时的秒数严格等于原子秒，按照历法置闰的方法的置入闰秒（可正可负），一般安排在12月31日和6月30日最后1分钟的末尾。

即达成了“秒长均匀”，又达到了“时刻接近”。

三世界时计量

1真太阳时（视时）

（1）参考运动：

真太阳周日视运动（地球自转）

（2）定义：

真太阳时=太阳时角+12h（原民用时）

（3）组成：

零点：

（时刻）太阳时角=12h（午夜）

单位：

（时段）1真太阳秒=1真太阳日/24*60*60＝1真太阳日/86400

中国古代计时单位:

一刹那为一念，二十念为一瞬，二十瞬为一弹指，二十弹指为一罗预，二十罗预为一须臾，一日一夜有三十须臾。

——梵典《僧只律》

1须臾=48分钟,1罗预=2.4分钟,1弹指=7.2秒,1瞬间=0.36秒,1刹那=0.018秒

2平太阳时（平时）

（1）参考运动：

平太阳周日视运动

（2）定义：

平太阳时=平太阳时角+12h（民用时）

（3）组成：

零点：

平太阳时角=12h（午夜）

单位：

1平太阳秒=1平太阳日/24*60*60=1平太阳日/86400

真太阳时、平太阳时的区别

v两条路线：

•真太阳：

沿黄道运行；

•平太阳：

沿天赤道运行；

v两种速度：

•真太阳：

非均匀流逝，可以实测；

•平太阳：

均匀流逝，根据恒星时或视时推算。

3恒星时

（1）参考运动：

春分点周日视运动

（2）定义：

春分点时角（不考虑民用）

（3）组成：

零点：

春分点时角＝0（春分点中天）

单位：

1恒星秒=1恒星日/24*60*60=1恒星日/86400

总结：

恒星日，平太阳日，视太阳日的区别

恒星日：

23h56m

平太阳日：

23h56m+4m=24h

真太阳日：

23h56m+（~4m）≈24h

视太阳日的变化就是日赤经增量的变化

四时间换算

按照参考运动分类：

世界时，历书时，原子时，协调世界时

按照量时天体分类：

视太阳时，平太阳时，恒星时

按照适用范围分类：

世界时，标准时，地方时

1视太阳时和平太阳时的换算

（1）时差的成因:

太阳每日赤经增量的变化

（2）时差的计算：

特定日期视时和平时的时刻差

时差=视时-平时

=（视太阳时角+12h）—（平太阳时角+12h）

=视太阳时角—平太阳时角（向西度量）方法1

=平太阳赤经—视太阳赤经（向东度量）方法2

方法3比较视午和平午：

逐日推算每日视太阳（视午）和平太阳上中天（平午）的时刻差。

（3）时差的变化：

假定从视时和平时的从同一时刻开始，经过特定日数：

1）当该段时间视太阳日长度总是大于24h，即视太阳日赤经增量大于4m，那视时就比平时小（可理解为记录视时的钟走的慢）。

如果视太阳日继续比24h长的话，这个差值将会累计得越来越大。

2）当该段时间视太阳日长度总是小于24h，即视太阳日赤经增量小于4m，视时就比平时大（可理解为记录视时的钟走的快）。

如果视太阳日继续比24h短的话，这个差值也会累积的越来越大

时差与某段时间内视太阳日赤经增量（视太阳长度）有关

n时差极值相对于视太阳日极值点提前1-2月左右（视太阳日=24h）

时差的极大值是长期视太阳日小于24h积累的结果（16.4m）

时差的极小值是长期视太阳日大于24h积累的结果（-14.4m）

（4）时差的意义

1）时差是平太阳时作为民用时后的产物，是对非均匀流逝视时的补充。

但视太阳运动本身导致时间的的非均匀流逝应与坐标度量导致的非均匀流逝相区别。

2）时差是视时与平时的系统误差，最多在15分钟左右，并具明显年变化，但无地域差异。

与区域时差相区别。

3）视时是基于天体真实位置计量得到的时间，更多的应用于天文观测或以实际天体运动为参考的时间计量中，而经过时差校正的均匀平时则更多应用于日常生活当中，虽天文意义不精确，但本质上还是参考地球自转，从属于世界时计量系统。

4）时差的出现暗示通过现代民用时推测太阳或（其他天体）位置可能产生的误差。

例题1北回归线以北某地，某日地方平时12:

00，太阳的方位？

全年该时太阳在天空中的运动轨迹？

时差曲线图，太阳“8”字图

2太阳时和恒星时的换算

恒星时＝春分点的时角=中天恒星赤经

=太阳时角+太阳赤经

=视时-12h+太阳赤经

=平时+时差-12h+太阳赤经

例题2：

求赤道春分日，地方平时为22：

00的东升、中天以及西落恒星的赤经。

3地方时、世界时、标准时的推算

（1）地方时：

1）定义：

以当地午圈为始圈，严格根据实时量

时天体时角所确定的时间，均称该地地方时

2）地方时与经度的关系

地方时的不同，源于不同地区始圈（午圈）的不同，而午圈是当地经线的无限延伸。

所以经度的差值（360）与地方时时差（24h）相对应。

就太阳时而言：

1°经差—地方时差4m15°经差—地方时差1h

1ˊ经差—地方时差4s15ˊ经差—地方时差1m

时角向西度量，所以地球经线越靠东，时角值越大，地方时也越大。

（2）世界时

1）设置背景：

地方时的不统一，各自为政。

近代由于区域联系的加强，迫切需要全球统一的时间标准

2）设置过程：

1767，格林尼治视时；1834，改为格林尼治平时（GMT），1884，确定经度和时区

*注意与世界时计量系统的区别

（3）标准时

1）区时：

国际上规定，以经线为界，把全球分24个区，每区跨度15度各区把该区中央经线（15度的整数倍）的地方时作为本区统一使用的标准时，称区