地球概论实验验指导.docx

地球概论实验验指导.docx

《地球概论实验验指导.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《地球概论实验验指导.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

地球概论实验验指导

地球概论实习指导

伊犁师范学院奎屯校区

2007年8月

实验一、天球仪的使用

一、目的与要求

了解天球仪的结构，学习使用天球仪，进一步巩固天球坐标系的知识

二、主要内容

观察天球仪的结构，演示天球的视运动，在天球仪上直接求解问题或按已知条件在天

球仪上求解问题。

三、仪器用品

天球仪（多媒体课件）、圆规等。

四、原理方法

1.天球仪的结构

天球仪由天球、地平圈、子午圈和支架四部分组成。

如图１所示：

子午圈、地平圈、竖环、支座

（１）天球　　天球是天球仪的主体，其中心轴线代表天轴。

天轴两端有轴承，装在子午线圈上，用以支持天球的旋转。

两个轴承即天北极P和天南极P¹。

天球上距两天极相等距离的大圆为天赤道。

和天赤道正交的半大圆（以两极为终端）是赤经圈，其间是1h（150），其赤经值注明在天赤道上。

和天赤道平行的小圆是赤纬圈，间距一般是100，和天赤道斜交约23.5°的大圆为黄道，在其上注明黄经度数、日期和节气，表明不同日期太阳在周年视运动中的位置。

黄道的两个极，即黄北极和黄南极，他们分别与天北极和天南极的角距离亦约23.5°。

黄道和天赤道相交的两点：

春分点和秋分点，Oh赤经线通过的点是春分点，12h赤经线通过的点是秋分点。

6h赤经线与黄道的交点是夏至点，18h赤经线与黄道的交点是冬至点。

天球上绘有星座图形，肉眼可见的有星团和星云及银河等，银河的中心线是银道。

（2）子午圈子午圈是通过天极和测点所在地天顶的大圆。

子午圈与天赤道正交，上面刻有自天赤道到两极0°~90°的刻度，刻度数值和天球上赤纬圈的度数相对应，子午圈的最高点是天顶，与之对应的最低点是天底。

天顶和天底连线即测点的铅垂线。

（3）地平圈地平圈是个水平圆环，地平圈与子午圈正交于北点和南点，与天赤道相交与东点和西点。

地平圈上有0°~360°的刻度，表示地平经度（方位角），自南点顺时针方向度量。

（4）支架支架包括竖环和底座两部分，竖环不但固定地平圈，而且支持子午圈。

2.天球仪的校正

凡是求解有关天体在当时当地的视运动问题，都必须将天球仪调整到与观察者赤道坐标系统相符合的位置，这种调整叫做天球仪的校正。

（1）方位校正

使地平圈上所注的东南西北四个正方位和当地实际方位相符和，就是方位的校正。

这样天球仪上的子午圈就和实际天球子午圈相一致了。

（2）纬度校正

凡是与观测地点有关的问题，都必须对天球仪进行纬度的校正。

因为天极的地平高度等于当地伟度。

所以，只要转动子午圈，使天极（观测者在北半球上是北天极，在南半球上是南天极）高度等于当地的地理纬度即可。

经过纬度订正以后，即可在天球仪上演示天体在当地周日运动的一般情况：

在地平圈上使天球往西方向旋转（因为地球自转自西向东）。

一个装置正确的天球仪必须满足以下条件：

　　a赤道圈与地平圈相交的两点分别通过正东、正西两点。

　　b东西两点与子午圈南点均相距90o。

（3） 时间校正

如果讨论具体时刻的天象，还必须对观测时刻进行时间校正。

由于天球仪上使用的是恒星时，必须把观测时刻（区时，北京时间，地方时等）化为恒星时，则可在天赤道上找到与恒星时相应的赤经线，把它置于午圈下即可。

如：

某日北京时间（东8区区时）化为广州恒星时的方法：

1）把北京时间（120°E区时）化为广州时间（113°13′E）.按经度相差1°时间相差4分钟计算。

2）把广州时间化为广州视时（即广州时间+时差，时差在《天文年历》中可查到）。

3）在天球仪上找出某日的太阳赤经。

4）太阳赤经+广州视时即为广州恒星时。

五、操作步骤

天球仪的具体运用项目很多，归纳起来有两类：

1.在天球仪上直接求解问题

（1）读取恒星赤经和赤纬的近似值

1）在天球仪上找到所要确定的恒星。

2）将它转到午圈的下面，在天赤道上读出它的赤经值，在午圈上读出它的赤纬值。

（2）已知赤经和赤纬找出某恒星

1）按已知赤经值在天赤道上找出它所在的赤经线（非整时赤经线用内插法确定），转动天球仪，使其位于午圈下边。

2）在午圈上找出已知赤纬度数，则刻度下边的星就是要找的某星。

（3）读取某日的太阳黄经、赤经和赤纬的近似值

1）在黄道上找到某日的点，该点即太阳某日在天球上的视位置，就可直接在黄道上读出太阳的黄经值。

2）按读取恒星赤经、赤纬的方法读得太阳的赤经和赤纬。

（4）量度两星间的角距离

1）张开圆规两脚对准要量度的两颗星。

2）将两脚移到天赤道或黄道上，即可读出两星间的角距离。

2.按已知条件在天球仪上求解问题

（1）已知日期和时间求当时当地的可见天象

1）天球仪做方位校正。

2）按当地纬度调整天极高度。

3）做天球仪的时间校正。

进行时间校正后低平圈以上半球即为可见天象。

（2）求已知恒星时的某恒星时角求已知恒星时时刻的恒星时角，就是求该时刻某恒星在天球上的位置与午圈之间的角距离。

1）做天球仪的时间校正，将天球仪固定不动。

2）找到所求恒星，它的赤经线与午圈在赤道上所夹的弧段既是该星的时角。

例如求地方恒星时为7h50m和4h20m时天狼星的时角各是多少？

将春分点从午圈起向西转7h50m（即7h50m赤经圈与午圈重合），这时天狼星的赤经线与午圈的夹角，就是它的时角，约1h09m；将春分点从午圈起向西转4h20m，可读得天狼星的时角约21h39m。

天狼星的赤经α=6h44m，赤纬δ=-16°42′，在地方恒星时S=7h50m时，它的时角t=1h09m。

这个例题表明了在天球仪可以求解赤道坐标（α，δ）和时间坐标（t，δ）之间相互转化的问题，s=α+t，所以这种相互转化是以观测的地方恒星时s为纽带的。

（3）求某地某日太阳出没时刻和出没方位，上中天高度和昼夜时间长度

1）按已知地理纬度调好天极高度。

2）在黄道上确定某日太阳的位置。

3）将该日太阳置于午圈之下，在午圈上读出太阳的上中天高度。

4）转动天球仪，使太阳位于地平圈上，此时太阳位置即日出点（在东方）或日没点（在西方），这两点的方位角，即日出（或日没）的方位角。

5）从天赤道上数一下日出点在天赤道上的投影与午圈之间的间隔时数，即上午时间长度，乘2即得昼长。

12h减去上午时间长度就是日出的地方视时，加上上午时间长度，就是日没的地方视时，经过时差和经度差的改正后，可得太阳出没的标准时。

六、作业

（1）在天球仪上读出下表各恒星的赤经和赤纬

恒星名

北落师门

五车二

天狼星

心宿二

织女一

轩辕十四

赤经α

赤纬δ

（2）在天球仪上找出下表中已知赤经度和赤纬度的恒星名称

赤经α

04h35m

05h14m

07h38m

07h44m

19h50m

20h41m

赤纬δ

+16°26′

-08°13′

+05°17′

+28°01′

+08°49′

+45°12′

恒星名

（3）填写太阳在下列日期的赤经和赤纬

日期

3月21日

6月22日

9月23日

12月22日

赤经α

赤纬δ

实验二、活动星图的制作与使用

认识主要星座，辨别主要天体

一、目的

1.掌握活动星图的基本制作方法，通过观察实践，使学生对天球、天体、星座、星云和天体的运行等概念，有个感性认识，加强理解；

2.通过实地观察，认识学校所在地天空上主要的（10个以上）星座；

3.通过观察活动，辨别和熟悉学校所在地天空上主要的恒星、行星、星云以及临时可能看到的流星和人造卫星等。

二、准备工作

1.选定好时间。

一般应选定在月初或月末晴朗的夜晚。

若在9、10和11月份，分别以21～23、20～22和19～21时为宜；

2.选好地点。

观察地点主要要求视野开阔和附近无强光干扰；一般以高楼顶部或开阔的操场上为宜；

3.准备和检查好所需的仪器及用品。

主要有天球仪、星图或星球仪、手电筒和硬纸板做的喇叭形观测筒。

手电筒最好用红布将镜头包住。

有条件的学生可自备小型双目望远镜，如8×30或7×50等规格的均可。

三、方法步骤

1.室内认识并熟悉天球仪和星图等所要使用的仪器设备，并初步掌握所要观察星座和天体的大致方位；

2.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；

3.在首先找到和初步认识银河、北斗和北极星的基础上，借助喇叭筒和手电筒的指引，分区逐个认识仙后、仙女、天鹅、天琴、天鹰、飞马、双鱼、金牛、猎户、双子、御夫以及牧夫、天蝎、狮子和大犬等主要星座；

4.仔细观察（可以用小望远镜）和辨别恒星发光和行星光的特点，并重点认识主要的恒星（如牛郎、织女、心宿二、天狼、猎户三星、天津四、五车二和毕宿五等）和行星（如金星、火星、木星和土星等）。

并找到猎户座和仙女座星云、抓住天空中临时出现的流星和人造地球卫星等进行讲解；

5.对大熊座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运行的方向；

四、总结

1.整理观察记录。

2.绘出观测时主要星座的亮星联线图，认识主要星座。

3.区别不同类型的天体。

实验三、月面观测

一、目的和要求

通过望远镜或课件直接观察月面，了解月面形态及其结构特征。

二、主要内容

用望远镜或课件观察月面结构，主要有月海、山脉、环形山和辐射纹等。

三、仪器用品

望远镜或课件、月面图、笔记本等。

四、原理方法

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，详情可参见《地球概论》。

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。

五、操作步骤

1、正确选择望远镜放大倍率。

2、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。

3、画一直径为10cm的圆表示月面。

在圆上画出它的明暗线，并标出月面的方位。

4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。

六、作业

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和分析月面的形态特征。

实验四、测定子午线和太阳高度

一、目的

通过实际观测，正确掌握子午线和太阳高度的概念，了解测定子午线的方法，学会用简单仪器测定天体高度的方法，理解太阳高度的季节变化。

二、准备工作

1.选定时间：

测定子午线选在晴朗的中午前后。

测定太阳高度选在夏至和冬至中午时进行，这样可以发现它的变化。

2.仪器备品：

测杆、测绳、量角器、简易高度计。

三、方法步骤

1.测定子午线

测定子午线可以采用日影杆方法。

如图4-30，先在地面竖起一垂直测杆，以杆基为圆为，以适当长为半径，在杆的北面画出一个半圆。

注意观察杆影的变化，记下杆影顶端与半圆的两个交点，这两个点与杆基构成一个等腰三角形，作等腰三角形的角分线，便是正南正北方向，即当地子午线。

子午线的测定也可以通过地方时的计算得到，即通过计算当地的地方时为12时，直立于地面杆影就是当地的子午线。

也可以通过观测北极星大致测定子午线。

2.测定太阳高度

测定太阳高度同样可以采用日影杆法。

如图4-31，直立于地面的测杆，其影长在一天里是变化的，只有到了当地正午12时的时候，影长最短。

记录下影长最短时刻的长度a，就可利用三角关系求得h。

tgh=b/a。

也可以采用简易高度计测太阳高度（如图4-32），但是必须计算出当地的正午12时的北京时间，在该瞬时间测定太阳中心的仰角。

这些方法应用于不同的时间，如夏至日、冬至日等等，便可发现太阳高度的季节变化。

四、总结

1.整理每次的观测结果，确定当地的子午线。

2.说明太阳高度的观测方法，分析当地太阳高度的变化特点。

实验五、辨认北极星，用简易方法测定地理纬度

一、目的

掌握辨认北极星和用北极星确定方向的方法；掌握简易测定地理纬度的方法；巩固有关地理坐标和天球坐标方面的知识。

二、准备工作

1.知识准备：

熟悉北极星与天北极关系及其与地理纬度的关系；熟悉大熊、小熊、仙后等天北极周围的主要星座。

2.物质准备：

天球仪、多媒体课件、星图、测角仪器等。

三、方法步骤

1.辨认北极星，并用其确定方向：

在晴朗的夜晚，选择不受或少受地面灯光干扰的较高地方为观测场地，分组观测。

在北方天空找出北斗七星。

这七颗亮星在天球上组成一巨大的勺形。

以勺头两颗星（天璇、天枢）之连线为长度单位，并以此长度单位向勺口所指方向度量，大约五个长度单位处那颗亮星，即为北极星（图2-25）。

北斗七星在北方天空位置很低的情况下，也可通过仙后座辨认北极星。

仙后座的五颗主要亮星在天球上组成的图形，很像英文字母W的形状。

从仙后座α星（王良四）向它前面的一颗不太亮的κ星（位于W开口处）连线，并以这一连线为长度单位，沿其延长线向W开口方向度量，在大约五个长度单位处那颗亮星即为北极星（图2-26）。

北极星（即小熊星座的α星）并不真正在天北极的位置，其赤纬是89°01′44″，离天北极很近。

而且，在天北极处没有亮星作标志，因此，人们常常以北极星来代表天北极。

在夜间，可用北极星确定方向。

正望北极星，前面是北，后面是南，左边是西，右边是东。

据此，确定周围地物与观测点之间的方位关系。

2.用简易方法测定当地地理纬度

在地平坐标系中，天北极的高度等于当地地理纬度。

用简易测角仪器测得北极星的仰角，即为其高度。

由于北极星与天北极仅58′16″之差，故可粗略的以北极星高度代表天北极高度。

因此，测得了北极星的仰角，也就粗略的测得了当地的地理纬度，其误差不超过1°。

如果要较准确地测定当地纬度，则需于北极星在上中天或下中天位置时，测得其仰角。

北极星上中天时的仰角减58′16″（或北极星下中天时的仰角加58′16″）即为天北极之仰角。

经过这样订正的北极星高度，就是当地的地理纬度。

3.观测北斗七星等亮星相对于北极星和观测地点的运动情况：

选择近观测点地物（如电杆、树木、建筑物等）作参照，观测记录北斗七星等和北极星与参照点之间的相对位置关系。

过1～2小时，再于原位置进行同样的观测记录。

这样的观测要连续进行3～4次。

四、总结

1.画图说明北斗七星在天球上相对于北极星的周日运动情况，说明其原因。

2.对照大比例尺地图，难证所测当地地理纬度。

说明通过观测北极星测纬度的原理。

3.根据观测记录，分析观测过程中北极星和北斗七星相对于观测点有无位移？

为什么可以用北极星确定方向？

实验六、日食和月食观测

一、目的与要求

掌握日食、月食过程的观测方法，认识太阳大气层。

二、主要内容

利用发生日、月食观测日、月食过程并作记录。

三、仪器用品

有条件用望远镜、中国天文年历、钟、秒表、白色观测纸、记录本、黑色眼镜、废照相底片、硬铅笔、彩色铅笔以及必备的气象仪器、手电筒等。

无条件利用天球仪、多媒体课件，图片等。

四、原理方法

日、月食是很重要的天象。

日、月食的发生是由于日和月同时位于黄白交点或交点附近，使日、月、地产生相互遮掩的现象。

虽然每年发生日食的次数比月食多，但由于日食带非常狭窄，看到日食的机会反比月食少，看到日全食和日环食的机会就更少。

通过日月食的观测，可以获得许多有关太阳外部结构、太阳活动和日地关系等宝贵材料。

五、操作步骤

（1）日食来临前，准备好日食观测纸，启动转仪钟。

观测者注意力集中，分工合作，完成各自的观测工作。

（2）在初亏发生之前，在钟指某整分00秒时，记时者开启秒表；观测者戴好黑色眼镜（避免观测纸反射阳光的刺激）密切注意初亏的大致方位。

当初亏到来时，观测者呼“到”，并在太阳像上标记出初亏的方位；记时者闻声关闭秒表，并记录时间（平时钟该整分时刻+秒表走时+钟差）。

（3）观测倍利珠现象来决定食既（日全食开始）和生光（日全食结束）的瞬间。

在食既和生光到来的瞬间，太阳光线通过月球边缘的山谷射来，形成许多特别明亮的光线和光点，好象在太阳周围镶嵌着一串珍珠似的，这就是倍利珠现象。

食既瞬间，倍利珠一般出现在太阳的东边缘，生光瞬间，它一般出现在太阳的西边缘。

在食既和生光到来之前的整时整分00秒，记时者开启秒表；观测者密切注意，当倍利珠现象出现时呼“到！

”并记下它的方位和珠数；记时者闻声关闭秒表，并记录时间。

（4）观测复圆时的方位和时刻，方法同2。

（5）从初亏开始每隔10~15分钟描绘一食相图（食甚时食相图必须包括在内）。

所有食相图都应记录对应的时刻。

（6）在描绘日全食食相的同时，要记录气温、气压、温度、风力和风向、云状和云量等气象要素，并观察生物的异常反应。

（7）观测色球层和日饵。

全日食时可以看到在暗黑月轮周围有一圈窄窄的亮环，为色球层。

在其上还可出现从太阳边缘喷发出的火红气流，为日珥。

日珥的形状千变万化，要尽快数一下有几个日珥，并把它们的位置、形状、大小和颜色一一记录下来。

（8）观测日冕，日冕是太阳大气的最外层，全日食是观测的好时机，日冕半径可达几个太阳半径，观测前，在白纸上画一个半径2~3厘米的圆代表日面，和这个半径的2倍、3倍、4倍的同心圆，并以圆心为原点做直角坐标轴，把同心圆分为4个象限供作图用，日冕的形状与太阳活动有关，在太阳活动极大年份近与圆形，在太阳活动极小年份呈扁圆形，但在一次全食过程中，日冕形状基本保持不变，因此可以仔细观察，按不同颜色认真作图。

在日全食的食既到生光的过程中，不见日光，天空黑暗，须用手电筒（镜头蒙上红布），照明记录画图。

（9）观测完毕后，认真整理记录进行分析，绘出一套日食过程食相图，并根据自绘的食甚时的食相图，求出食分的数值。

六、注意事项

日食发生过程，不要直接用肉眼直接去看太阳，更不允许直接通过望远镜去看太阳，否则会把眼睛灼伤致盲！

可将几张废照相底片重叠在一起，隔着底片看太阳（根据太阳光的强弱增减底片的张数），或观察加点墨汁的水盆中的太阳反射像。

还可用硬纸板做个眼镜架上底片，或戴上深黑色眼镜，这样看起来方便，也便于画食相图。

如果使用望远镜，要像观测太阳黑子那样，在目镜或物镜上加上滤光片才能直接观测。

七、月食的观测

和日食的观测、记录方法类似。

校正钟表，备好观测纸，每隔10~20分钟绘一次食相图，记下对应的时刻，得出一套月食全过程的食相图，并求出食分值。

月食时月面仍可看到，但明暗和颜色都有变化，亦应详实记录，这对研究太阳活动和地球大气状况有关，是有价值的资料。

月食时亦可使用望远镜观测，方法与观测月面一样，同样作好观测记录。

八、作业

记录日食或月食过程，并附素描图。

实验七、测定地方时，计算地理经度（选作）

一、目的

了解日晷的构造和观测使用方法，掌握测地方时，计算地理经度的基本技能，加深对有关时间以及时间和地理经度之间关系等基础知识的理解。

二、准备工作

1.知识准备：

了解日晷的使用方法，熟悉有关地方时、时差、区时以及时间与地理经度的换算关系等基础知识。

2.物质准备：

如果当地没有现成的日晷，可以自己动手在校内建造一座。

三、方法步骤

1.关于地方时的测定：

地方时可用日晷测定。

日晷又称为日规，它是根据一天之内日影方向变化来测定时刻的仪器。

日晷由晷针、标有方向线和时刻注记的圆盘（或其它形状的平盘）组成。

晷针通过圆盘中心，并与圆盘平面垂直。

常见的日晷都是赤道式的，其晷针平行于地轴，圆盘面平行于赤道平面。

日晷上所表示的是真太阳时，从日晷上观测到某地某时刻的真太阳时，然后再从时差订正表中查得当日的时差订正值（每天时差的准确值可以从天文年历中查得。

一般日晷也都配有时差订正表），就可以把所测到的真太阳时，换算为平太阳时。

即：

T地方平时=T日晷-时差

2.关于地理经度（λ）的计算：

时间与经度之间存在一定换算关系，通过时间计算，可以求得各地的地理经度。

某地的地理经度与当地的地方时和世界时之间，存在着下列关系：

λ=T地方-T世界

由于T北京时间=T世界+8小时

T地方=T日晷-时差

所以λ=T地方-（T北京时间-8小时）

或λ=（T日晷-时差）-（T北京时间-8小时）

根据已知的北京时间（手表所指示的时间）、日晷所指示的地方真太阳时和时差订正表所提供的时差等数值，运用上面的关系式进行计算，即可求得所地的λ值。

再根据时间和经度的数值换算关系，将λ的时、分、秒单位，换算为度、分、秒，即为当地的地理经度。

一年内有四天（即4月15日、6月12日、9月2日、12月5日）的时差等于零，如果是在这几天测算地理经度，就会更加简便。

四、总结

对照有关资料，验证观测、计算得到的地方时、地理经度精度。