1、地球运动一、傅科 傅科（Jean Bernard Leon Foucault，18191868）法国实验物理学家，1819年9月18日生于巴黎。幼年时即喜欢精巧手工的创制活动。为此，他早年学习外科和显微医学，后转向照相术和物理学方面的实验研究。1853年由于光速的测定获物理学博士学位，并被拿破仑三世委任为巴黎天文台物理学教授。因为他博学多才，有多项发明创造，因此受各国科学界垂青，1864年当选为英国皇家学会会员，以及柏林科学院、圣彼得堡科学院院士。1868年被选为巴黎科学院院士。1868年2月11日逝世于巴黎，终年49岁。 1851年，傅科进行了著名的傅科摆实验。他根据地球自转的理论，提出除地
2、球赤道以外的其他地方，单摆的振动面会发生旋转的现象，并付诸实验。他选用直径为30厘米、重28千克的摆锤，摆长为67米，将它悬挂在巴黎万神殿圆屋顶的中央，使它可以在任何方向自由摆动。下面放有直径6米的沙盘和启动栓。如果地球没有自转，则摆的振动面将保持不变；如果地球在不停地自转，则摆的振动面在地球上的人看来将发生转动。当人们亲眼看到摆每振动一次（周期为16.5秒），摆尖在沙盘边沿画出的路线移动约3毫米，每小时偏转 1120（即 31小时 47分回到原处）时，许多教徒目瞪口呆，有人甚至在久久凝视以后说：“确实觉得自己脚底下的地球在转动！”这一实验又曾移到巴黎天文台重做，结论相同。后又在不同地点进行实
3、验，发现摆的振动面的旋转周期随地点而异，其周期正比于单摆所处地点的纬度的正弦，在两极的旋转周期为24小时。振动面旋转方向，北半球为顺时针，南半球为逆时针。以上实验就是著名的傅科摆实验，它是地球自转的最好证明。由此，傅科被授予荣誉骑士五级勋章。还有人曾在很深的矿井中进行试验，结果是：自井口中心下落的物体，总是在一定的深度同矿井东壁相碰撞，这就从另一侧面证实了地球的自转。二、恒星日和恒星年 教材从地球真运动的角度介绍了地球运动的周期恒星日和恒星年。我们还可以从地球视运动的角度来说明这个问题。首先要建立天球的概念。在晴朗的夜晚观察星空，看到的恒星、行星和月球等，我们都感觉不出它们的远近。当观测点有小
4、距离移动时，我们仍感觉不到星空的变化，这是因为恒星离观测点很远。可以认为，星光都是平行光，只要朝平行的方向看去，看到的就是同一个点，所有的星体都好像镶嵌在一个球面上，无法判断星体的距离。这个球面从观测者的头顶一直向四面八方延伸到地平线。这就是我们对天球的认识。虽然实际上不存在这个天球，它却和我们的感觉很一致，因此，可以借助它来分析和测量天体的位置和运动。 在天球上，我们可以定义恒星日和恒星年。在科学工作中，我们常采用恒星时计时系统，它是采用不动的恒星为参考点。天空中的恒星很多，我们常采用春分点（春分点是黄道与天赤道的交点之一）作为标准。恒星日是春分点在天球上连续两次由东向西通过同一子午圈所需要
5、的时间。恒星年是太阳在天球上连续两次通过某一恒星所需要的时间间隔。三、角速度与线速度 角速度是做圆周运动的物体单位时间转过的角度。地球是固体球，因此，自转时球面上各点在单位时间内转过的角度相同，也就是角速度相同。线速度是单位时间转过的弧长。弧长等于半径乘以弧所对应的角。当角度相同时，半径越长则弧长越长。地球上各点都是绕同一个自转轴旋转，纬度不同的地点，对应的自转半径就是当地纬圈的半径，这里粗略地把地球看成球体，因此自转半径cos赤道半径。可见，纬度越高，自转半径越小，转过的弧长越小弧长自转半径转过的角度（弧度），也就是线速度越小。在南、北极点，自转半径为零，角速度和线速度均为零。四、验证地球自
6、转 远古时代，人们认为地球是平的，太阳落到地平面下面，天就黑了。也有人认为，地球是不动的，太阳嵌在天幕上，由于天幕不停地转动才引起太阳东升和西落。 现在，人们已经明白：每隔24小时经历的一次白天和黑夜是地球自转造成的。 1851年，杰出的法国物理学家傅科在巴黎伟人祠巨大的圆穹顶下，通过70米摆长的单摆摆动平面的转动演示，有力地证明了地球的自转。 其实，我们通过浮在水面上的吹塑纸条的旋转也完全能雄辩地证明：地球是自转的。 取直径为50厘米的白色搪瓷面盆1只。为便于观察，用特种铅笔，在面盆边缘沿顺时针方向每隔30作一标记，将其12等分，分别为0、30、60、90360。为防止外界振动和干扰，将盛满
7、清水的面盆置于底楼的水泥地面上。取一张吹塑纸，用刀片剪裁成宽0.10.2厘米，长8厘米的纸条。将吹塑纸条浮于面盆水面上，两端平稳地指向0和180。为防止风吹和外界影响，可在面盆上盖一薄板。经过34小时，轻轻打开薄板，你会惊奇地发现，吹塑纸条沿顺时针方向“转过”一个角度。由于面盆随着地表做逆时针方向转动，而浮于水面的吹塑纸条并没有转动，其指示的转动角度，恰恰验证了地球的自转。五、地球转动之谜 众所周知，地球在一个椭圆形轨道上围绕太阳公转，同时又绕地轴自转。因为这种不停的公转和自转，地球上才有了季节变化和昼夜交替。然而，是什么力量驱使地球这样永不停息地运动呢？地球运动的过去、现在、将来又是怎样的呢
8、？ 人们最容易产生的错觉是认为地球的运动是一种标准的匀速运动，否则，一日的长短就会改变。伟大的牛顿就是这样认为的。他将整个宇宙天体的运动，看成是上好发条的机械，准确无误，完美无缺。 其实，地球的运动是在变化着，而且极不稳定。根据“古生物钟”的研究发现，地球公转和自转速度在逐年变慢。如在4.4亿年前的晚奥陶纪，地球公转一周要412天；到4.2亿年前的中志留纪，每年只有400天；3.7亿年前的中泥盆纪，一年为398天。到了2.8亿年前的晚石炭纪，每年约为385天；6500万年前的白垩纪，每年约为376天；而现在一年只有365.25天。据天体物理学的计算，证明了地球自转速度正在变慢。科学家将此现象解
9、释为是月球和太阳对地球的潮汐作用引起的。 石英钟的发明，使人们能更准确地测量和记录时间。通过石英钟记时观测日地的相对运动，发现在一年内地球自转存在着时快时慢的周期性变化：春季自转变慢，秋季加快。 科学家经过长期观测认为，引起这种周期性变化是与地球上的大气和冰的季节性变化有关。此外，地球内部物质的运动，如重元素下沉，向地心集中，轻元素上浮、岩浆喷发等，都会影响地球的自转速度。 除了地球的自转外，地球的公转也不是匀速运动。这是因为地球公转的轨道是一椭圆，最远点与最近点相差约500万千米。当地球从远日点向近日点运动时，离太阳越近，受太阳引力的作用越强，速度越快。由近日点到远日点时则相反，运行速度减慢
10、。 还有，地球自转轴与公转轨道并不垂直；地轴也并不稳定，而是像一个陀螺在地球轨道面上做圆锥形的旋转。地轴的两端并非始终如一地指向天空中的某一个方向，如北极点，而是围绕着这个点不规则地画着圆圈。地轴指向的这种不规则，是地球的运动所造成的。 科学家还发现，地球运动时，地轴向天空划的圆圈并不规整。就是说地轴在天空上的轨迹根本就不是在圆周上的移动，而是在圆周以外做周期性的摆动，摆幅为9。 由此可以看出，地球的公转和自转是许多复杂运动的组合，而不是简单的线速或角速运动。地球就像一个年老体弱的病人，一边时快时慢、摇摇摆摆地绕日运动着，一边又颤颤巍巍地自己旋转着。 地球还随太阳系一道围绕银河系运动，并随着银
11、河系在宇宙中飞驰。地球在宇宙中运动不息，这种奔波可能自它形成时起便开始了。 就现在地球在太阳系中的运动而言，其加速或减速都离不开太阳、月球及太阳系其他行星的引力。人们一定会问，地球最初是如何运动起来的呢？未来将如何运动下去？其自转速度会一直变慢吗？ 也许，人们还会问，地球运动需要消耗能量吗？若是这样，地球消耗的能量又是从何而来？它若不需消耗能量，那它是“永动机”吗？最初又是什么使它开始运动的呢？存在着所为第一推动力吗？ 第一推动力至今还只是一种推断。牛顿在总结发现的三大运动定律和万有引力定律之后，曾尽其后半生精力来研究、探索第三推动力。 他的研究结论是：上帝设计并塑造了这完美的宇宙运动机制，且
12、给予了第一次动力，使它们运动起来。而现代科学的回答是否定的。那么，地球，乃至整个宇宙的运动之谜的谜底究竟是什么呢？六、地球的公转周期 地球的自转运动有两个周期即恒星日和太阳日，那么，地球的公转运动是否只有回归年一个周期呢？地球绕日公转存在三个周期：恒星年、近点年和回归年。（1）恒星年：以某一遥远的恒星作为参照物，地球绕太阳运转360的历时，T35.253日，它是地球公转的真正周期。只有用恒星年才能准确真实地计算出地球公转的角速度和线速度。 （2）回归年是太阳直射点回归运动的周期，T=35.2422日，它比恒星年短0.0141日。回归年略短于恒星年的现象叫做岁差，岁差是地球公转和地轴运动相结合的
13、结果，这种结合决定了二分二至地球位置不是定点，而是在公转轨道上不断西移的动点，从而导致地球公转一周不等于太阳直射点纬度变化一周。回归年虽不是地球公转的真正周期，但它是地球上季节变化的周期，对人类有着十分重要的意义，我们生活中的“年”的概念，通常就是指回归年，阳历中的具体年历就是依据回归年来排定的，这也就成为我们学习的重点内容。七、开普勒定律 开普勒定律是开普勒发现的关于行星运动的定律 开普勒在1609发表了关于行星运动的两条定律： 开普勒第一定律（椭圆定律）：每一行星沿一个椭圆轨道环绕太阳，而太阳则处在椭圆的一个焦点中。 开普勒第二定律（面积定律）：从太阳到行星所连接的直线在相等时间内扫过同等
14、的面积。 用公式表示为：SAB=SCD=SEK（如下图）。 1609年，这两条定律发表在他出版的新天文学上。 1618年，开普勒又发现了第三条定律： 开普勒第三定律（调和定律）：行星绕日一圈时间的平方和行星各自离日的平均距离的立方成正比。 用公式表示为：a3/T2=K a=行星公转轨道半长轴 T=行星公转周期 K=常数 1619年，他出版了宇宙的和谐一书，介绍了第三定律，他写道：认识到这一真理，这是超出我的最美好的期望的。大局已定，这本书是写出来了，可能当代有人阅读，也可能是供后人阅读的。它很可能要等一个世纪才有信奉者一样，这一点我不管了。 开普勒发现的行星运动定律改变了整个天文学，彻底摧毁了
15、托勒密复杂的宇宙体系，完善并简化了哥白尼的日心说。开普勒定律为伊萨克牛顿发现万有引力定律奠定了基础。 开普勒第三定律的修正 开普勒研究所根据的资料都是凭肉眼观测的。随着望远镜等精密仪器的出现，发现开普勒定律只是近似的，行星实际运行的情况与开普勒定律有少许偏离。造成这种情况的原因是：由于太阳也受到行星的吸引，它也有加速度，并不是静止不动的，实际上太阳和行星都绕它们的质心各自沿椭圆轨道运动。因此行星椭圆轨道半长轴（平均半径）三次方与运行周期二次方之比已不再是常数，开普勒第三定律应修正为： 式中的R1和R2分别是质量为m1和m2的行星轨道半长轴，T1和T2分别是它们的运行周期，M是太阳的质量。实际上
16、太阳系中质量最大的行星是木星，它的质量是太阳质量的1/1047，上式之比与1相差极微，所以开普勒第三定律虽然只是近似的，但近似程度是相当高的。以上结论只考虑了行星与太阳间的相互吸引，在理论力学中称为二体问题，如果要考虑任一行星还受到其他行星的吸引，则成为多体问题，此时只能用微扰法来近似求解。八、闰年 在公历（格里历）纪年中，有闰日的年份叫闰年，一般年份为365天，闰年为366天。由于地球绕太阳运行周期为365天5小时48分46秒（合365.24219天）即一回归年，公历把一年定为365天。所余下的时间约为四年累计一天，加在2月里，所以平常年份每年365天，2月为28天，闰年为366天，2月为2
17、9天。因此，每400年中有97个闰年，闰年在2月末增加一天，闰年366天。闰年的计算方法：公元纪年的年数可以被四整除，即为闰年；被100整除而不能被400整除为平年；被100整除也可被400整除的为闰年。如2000年是闰年，而1900年不是。 中国旧历农历纪年中，有闰月的一年称为闰年。一般年份为12个月，354或355天，闰年则为13个月，383或384天。农历作为阴阳历的一种，每月的天数依照月亏而定，一年的时间以12个月为基准；为了合上地球围绕太阳运行周期即回归年，每隔2到4年，增加一个月，增加的这个月为闰月，因此农历的闰年为13个月。 农历没有第十三月的称谓，闰月按照历法规则，排放在从二月
18、到十月的过后重复同一个月，重复的这个月为闰月，如四月过后的闰月称为闰四月。 2001年5月27日、1982年5月27日和1963年5月27日这个日子，都是闰四月初五。 闰月加到哪个月，以农历历法规则推断，主要依照与农历的二十四节气相符合来确定；农历的闰月天数与正常月份天数一样，为29或30天。 农历所谓“闰”的说法，只有闰年和闰月称谓，公历也有闰年的称谓。运动物体的水平偏向图九、地转偏向力 地球自转产生的效应很多，其中一个很重要的效应就是产生地转偏向力。地转偏向力产生的条件有：（1）地球在自转；（2）地面上的物体在水平方向有运动速度。产生的现象是，当观察者面向运动方向时，北半球运动的物体向右偏
19、，南半球运动的物体向左偏，在赤道上运动的物体不偏转。随纬度的增高，偏转现象越明显。 物体运动方向为什么会向右或向左偏转呢？我们可以作一个粗略的定性分析。沿地表做水平运动的物体，由于惯性的作用，总是力图保持原来的方向和速度。例如，在北半球，质点向北沿经线取A1B1方向做水平运动，经过一定时间后，经线L1转至L2的位置。沿经线方向运动的质点，由于惯性，必然保持原来的方向和速度，取A2B2的方向前进。这时在L2位置上的人看来，运动质点已经离经线方向而右偏了。 地球一刻不停地自转着，地球上做水平运动的物体，都会受地转偏向力的影响。例如，赤道地区，终年高温多雨，空气受热上升，在近地面的空间形成一个低气压
20、带，赤道两边地区的气流就要向赤道方向流动。如果没有地转偏向力的影响，赤道以北应该经常刮北风，赤道以南应该经常刮南风。但是由于受地转偏向力的作用，风向发生了改变，赤道以北向右偏，形成了东北风；赤道以南向左偏，形成了东南风。地转偏向力对河流的影响也很明显。在北半球，从南向北流的河流，河水冲刷东岸；从北向南流的河流，河水冲刷西岸；从东向西流的河流，河水冲刷北岸；从西向东流的河流，河水冲刷南岸。同样道理，在北半球行驶的火车，加于右侧轨道的压力，要比对左侧轨道的压力大些。十、正午太阳高度 一地正午太阳高度的大小，可以用下面的公式来计算： H=90- 式中H为正午太阳高度，为当地地理纬度，永远取正值；为直
21、射点的纬度（任何一天的可以在天文年历上查到），当地夏半年取正值，冬半年取负值。以二分和二至日北京（3954）为例： 春、秋分日H90-3954-0=5006 （太阳直射赤道，=0） 夏至日H=90-3954-2326=7332 （太阳直射北回归线，=2326） 冬至日H=90-3954+2326=2640 （太阳直射南回归线，=-2326） 如果某地的正午太阳高度H小于0，说明该地处于极夜，这种情况只会出现在两极地区。十一、昼夜长短的变化 二分二至各地昼夜长短的变化可列表如下：纬度北极圈以内06634N=006634S南极圈以内春分日昼=夜昼=夜昼=夜昼=夜昼=夜夏至日极昼昼夜昼夜昼夜极夜秋分
22、日昼=夜昼=夜昼=夜昼=夜昼=夜冬至日极夜昼夜昼=夜昼夜极昼 从表中可以看出，在春、秋分日不管什么地点，在赤道处不管什么时间，都是昼夜相等，而其他地区则不同，在一年内昼夜长短是不断变化的，即便是在极圈之内，极昼极夜的时间长短也不一样。以北半球中纬度地区一年内的变化为例，春分日时，昼夜相等，春分日过后，开始昼长于夜，随着太阳直射点的北移，昼变得越来越长，直到夏至日，太阳直射北回归线，这一天昼最长、夜最短。如北京，夏至日白昼长约15小时，夜晚只有约9小时。然后昼长开始减小，直到秋分日再次回到昼夜相等。秋分日过后，夜开始增长，昼开始缩短，到了冬至日昼最短、夜最长。冬至日后夜开始缩短，直到下一个春分日，完成一个回归年。 以北半球为例，夏至日太阳直射北回归线，北半球昼最长、夜最短；冬至日太阳直射南回归线，北半球昼最短、夜最长；春分日（秋分日）太阳直射赤道，全球昼夜等长。同时还要分清昼夜状况还是昼夜变化趋势，这就要注意以下规律：太阳直射点在哪个半球（南、北半球），哪个半球就昼长于夜；太阳直射点向哪方（南方、北方）移动，哪个半球就昼变长夜变短。高考资源网()来源：高考资源网版权所有：高考资源网(www.k s 5 )
