第五章 地球运动及其地理意义 第一节 地球运动的主要方式 第二节 地球自转及其地理意义 第三节 地球公转及地理意义 第四节 变化中的地球运动

第一节 地球运动的主要方式 自转 公转 月地绕转 地轴进动 极移 板块运动

思考题 第二节 地球自转及其地理意义 1.如何证明地球的自转? 2.何谓地轴进动?其规律、成因与后果是什么？ 第二节 地球自转及其地理意义 思考题 1.如何证明地球的自转? 2.何谓地轴进动?其规律、成因与后果是什么？ 3.何谓极移现象？其规律、成因与后果是什么？

一、 地球自转的证明 A' A B' 1. 落体偏东现象:自由落体总是偏落在铅垂线东侧的现象。 B C CB=AA'>BB' 东 西 东偏位移=AA' - BB' = CB' 2. 傅科摆偏转现象: N （1）摆的结构与特点: ① 结构——重锤，长钢丝，万向节。 ② 特点——摆动周期长速度慢（阻力小），惯性大维持时间长，摆动平面不受支架水平转动的牵连。 （2）偏转现象：在北半球摆动平面发生顺时针偏转,南半球则相反。

首次实验在巴黎保泰安教堂完成 钢丝长67 米 锤重28公斤 傅科摆及其悬挂装置——万向节

　 摆的运动可以超然于地球的自转，但悬挂摆的支架一般却要带动它参与地球的自转。为解决这一问题，傅科采取了一种简单而巧妙的装置－万向节（如图），从而使摆动平面超然于地球的自转。

（2）偏转现象：在北半球摆动平面发生顺时针偏转，南半球则相反。 摆 动 平 面 金属摆锤 钢丝 1 3 4 小时 北半球摆面偏转方向

摆面偏转的本质是地球自转

赤道无偏转 (3) 解释—— 说明地球在自转。

二、 地球自转的规律 ★ 同一恒星 ★ 1、自转的周期 （1）恒星日 （23h 56m） 某恒星（或春分点）连续两次上中天 的时间间隔（真周期，地球自转360°）。 太阳 13°38′ 59′ （2）太阳日（均值24h ） 日心连续两次上中天的时间间隔（ 昼夜更替的周期，地球平均自转360°59′ ） P161 59′ 月亮 A （3）太阴日（24h50m）月心连续两次上中天的时间间隔（ 潮汐周期，地球平均自转373 °38 ′ ） A

L  2、自转的速度 h （1）角速度——全球一致。 R   =15°/小时 （2）线速度 V= （R+ h）cos （3）  的微小变化 ① 季节性变化:由气团洋流的运动引起（± 1/1000秒） ② 长期变慢——由潮汐摩擦引起（+1.6秒/10万年）。 地内物质运动引起。 ③ 不规则变化 大冰期自转快，间冰期自转慢。

③地理纬度不同，天体周日圈的倾角不同θ=90°- |  | （三）地球自转的地理意义 1、天球的周日运动 P 天北极 ②天体周日圈的大小随天体δ绝对值的增大而缩小。 ③地理纬度不同，天体周日圈的倾角不同θ=90°- |  | ①天体周日运动的轨迹（周日圈）平行于天赤道。 图B 图A 天赤道 P P' 地平圈 天赤道 恒显星区 地 平 圈 P 出没星区 P'天南极  恒隐星区 θ 地平圈 图C P'

在西班牙哥林那地区1999.11.18拍到的狮子座流星雨

南天极星留迹

2、昼夜与时间的更替 (1)昼夜更替——使太阳均匀加热地球,对生命活动有利。 (2)时间交替——时区的产生。 3、地球坐标的确定 164-166 （1)经纬线与地球上的方向 （2）地理坐标的经纬度 （3）地球上的距离

(1)现象:在北半球弹体偏向目标右方,南半球则偏左方。 C' A A' B A" C B" N S B' 4、物体水平运动的方向偏转 (1)现象:在北半球弹体偏向目标右方,南半球则偏左方。 (2)解释:P166-168 ①南北向弹体的偏转 北半球: AA"=BB'>AA' (右偏) 南半球: BB"=CC'<BB' (偏左) ②东西向弹体的偏转 A A' B B' O O' N S (3)地转偏向力(科里奥利力A) A=2mV sin

5、导致赤道隆起地球变扁 在自转的地球上，每一个质点的圆运动的中心都在地轴上，惯性离心力的方向都垂直并背离地轴。如把一地的惯性离心力分解为垂直和水平方向的两个分力，那么，这后一分力作用下，物质有向赤道集聚的趋势，地球变成了扁球体。

艾森彗星的行踪？（20131129） 嫦娥三号发射（20131202）

思 考 题 1.何谓恒星的周年视差位移和恒星的光行差位移,两者之间有何区别? 2.简述地球公转的规律(轨道参数,周期,速度)。 3.古人如何发现太阳的周年视运动?

第三节 地球的公转运动 一、地球公转的发现与证明 (P168-170) 1、公转的发现——1543年哥白尼提出日心说认为地球与行星是绕日公转的。 A' B' 2、 公转的证明 (1)恒星的周年视差位移(1838年由贝塞耳首测)  周年视差 天鹅座61  = 0.3" 比邻星 = 0.76" 秒差距=1/ " 1秒差距=3.26光年 B A 比邻星的距离(秒差距)=1/ " =1/0.76=1.32(秒差距)=4.29(光年) (2)光行差(1725年由布拉德雷发现)——由于地球的公转运动,使恒星的视方向与其真方向产生的差角(k)。

（2）光行差（1725年由布拉德雷发现）——由于地球的公转运动,使恒星的视方向与其真方向产生的差角（k）。 以下雨为例 视方向 真方向C 视方向 k K=20.5“ Ve A' ① 视差位移与光行差位移的方向差别 A A' B B'  B' 光行差位移的方向 视差位移方向 B A

对于任意恒星，只要地球位于通过星日连线且垂直于地球轨道的平面与地球轨道的交点上，则该恒星的K值最大。 ① 视差位移与光行差位移的方向差别 ② 光行差（K）的大小： K随Ve与C夹角的增大而增大。 当Ve⊥C时K值最大，称为光行差常数。 对于任意恒星，只要地球位于通过星日连线且垂直于地球轨道的平面与地球轨道的交点上，则该恒星的K值最大。 ③光行差常数： ∵K角很小其所对的弦弧近似相等 ∴用弧度表示有：K= Ve/C=0.0000993 化为角秒有: K= 206265×0.0000993=20.48″ K → → → → Ve （3）多普勒效应 170

二、地球公转的规律 公元2000年 1. 地球的轨道参数 (1)轨道扁率=(a-b) /a=1/7000 北黄极 北天极 23°26' 公元2000年 1. 地球的轨道参数 (1)轨道扁率=(a-b) /a=1/7000 (2)黄赤交角= 23°26' 21. 448" (3)日地距离(前面已述) 2. 地球公转周期 (1)恒星年——日心连续两次通过黄道同 一恒星的时间间隔。（真周期 365.2564日) (2)回归年——日心连续两次通过春分点的时间间隔。（季节交替的周期 365.2422日）

地球的公转周期 名称 参考点 点多移动 比较 恒星年 年的长度 恒星 ---- 回归年 春分点 <恒星年 近点年 近日点 无明显自行 ---- 365.2564日 回归年 春分点 每年西移50” <恒星年 365.2422日 近点年 近日点 每年东移11” >恒星年 365.2596日 交点年 黄白交点 每年西移20° 346.6200日

岁差现象：为我国汉代天文学家——刘歆 最早发现 春分点西移和岁差现象 北黄极K 天北极 天球 秋分点 岁差现象：为我国汉代天文学家——刘歆 最早发现 冬至点 夏至点 天赤道 春分点 黄 道 春分点每年西移50.26″ 解释岁差——恒星年比回归年长 天南极 K′ 南黄极

有关解释（171,182,183） 1.春分点西移：地轴进动的结果之一 2.黄白交点西退：由于太阳对月球的引力，两个交点的连线沿黄道与月球运行的相反方向向西移动，这种现象称为交点退行。交点每年移动19°21’，约18.6年完成一周。这一现象对地球的章动和潮汐起重要影响。 3.近点年及长期摄动：近点年是地球公转速度变化的周期，主要用于太阳运动的研究。 天体在运动中，除受中心天体的引力作用外，还受到周围其他天体介质等诸多因素的作用，这些作用与中心天体的引力相比是很小的，因此称为摄动。 章动：（183）月球在白道上运行，黄白交角平均为5°9’，月球经常位于黄道的上面或者下面，这就使得岁差现象变得复杂，北天极在绕着黄北极转动时，不断在其平均位置的上下做周期性的微小摆动，振幅9”，这种微小摆动称为章动，周期1806年。

3. 地球公转速度 (1)平均角速度=360°/恒星年=59' 08"/日 (2)平均线速度=29.78km/s (3)速度的年变化 日 期 位 置 角速度 线速度 一月初 近日点 61'10 " /日 30.0km/s 七月初 远日点 57'10 " /日 29.3km/s

三、地球公转的地理意义 1、太阳的周年视运动 （1）太阳周年视运动的发现——古人根据黄道上夜半中星（恒星）的周年变化确认太阳的周年视运动。 K （2）地球公转的位置、方向、速度、周期，都可以通过太阳的周年视运动反映出来。 S1 S2 地球 S3 M3 E3 E1 E2 M2 黄 道 M1 K'

夜半中星随季节的变化 春：狮子中天；太阳—飞马 夏：天蝎中天；太阳—猎户 秋：飞马中天；太阳—狮子 冬：猎户中天；太阳—天蝎 East China Normal University

2、天文四季的变化 1）太阳回归运动与四季形成 172 2）太阳高度的周年变化 3）昼夜长短的周年变化 4）四季的划分 ①黄赤交角的存在。 太阳回归运动的天文成因: ②地轴指向相对不变。

② 在半球范围内，任意两地正午太阳高度角之差等于这两地的纬度差。 2）太阳高度角的周年变化 N （1）正午太阳高度角(h)的表达式: h h =90º-（  - ⊙ ）…….半球适用 h =90º-|  - ⊙ | ……….全球适用  ⊙ ① 与⊙均为北正南负。 注明 ②当h>0表示太阳在地平之上。 ③当h<0表示太阳在地平之下。 （2）正午太阳高度角(h)的纬度及季节变化 ： ① 无论任何季节，在 = ⊙处的h为最大值（90º）。 ② 在半球范围内，任意两地正午太阳高度角之差等于这两地的纬度差。 hA =90º-（ A- ⊙ ） 两式相减得： hA-hB = B- A hB =90º-（ B- ⊙ ）

= = 90º-  ③ 纬度越高正午太阳高度角的年平均值 ( h )越小 h最大=90º-〔  -（+23.5º）〕 h最小=90º-〔  -（- 23.5º）〕 h =90º-| | ∵ h最大+ h最小2 ∴ h = = 2（ 90º-  ）2 = 90º-  ④在 | |≥23º26′ 的地方h 的年变化为单峰型。 ⑤在南、北回归线之间h 的年变化为双峰型。

P P′ 3）昼夜长短的周年变化 （1）昼夜的现象 ①晨昏线——昼夜半球的分界线。 ②昼夜长短——由昼弧、夜弧决定。 夏至点 P P' 春分点 冬至点 3）昼夜长短的周年变化 秋分点 （1）昼夜的现象 地平圈 ①晨昏线——昼夜半球的分界线。 天赤道 ②昼夜长短——由昼弧、夜弧决定。 昼弧：处于昼半球的纬线弧段。 在地球上 夜弧：处于夜半球的纬线弧段。 昼弧：太阳周日圈在地平上的弧段。 在天球上 夜弧：太阳周日圈在地平下的弧段。 夏至(6月22日) 冬至(12月22日) 秋分(9月23日) 春分(3月21日)

t Z B Q′ P （2）昼长表达式 （1）推导： A 如图所示：A、C分别太阳出没点， φ 太阳在B点中天；BC为半昼弧。 S 太阳从B到C所用的时间（角）为：t 在球面三角形CPZ中，据边余弦定理得： CosCZ=cosPZcosPC+sinPZsinPCcost ∵ CZ=90°; PZ=90°-φ； PC=90°-δ⊙ ； ∴ 0=sinφsinδ⊙ +cosφcosδ⊙cost cost = = - tgφtgδ⊙ t Q′ P A φ S N C δ⊙ P′ Z′ -sinφsinδ⊙ cosφcosδ⊙ ←值域(- ∞,+∞) 值域 [-1,+1] ← 定义域（0~180°）↑

当：φ=0（赤道上），cost =0， t=90°2t=180°→12h （2）昼长表达式 推导： cost = - tgφtgδ⊙ 释义（数学及地理意义）： 当：φ=0（赤道上），cost =0， t=90°2t=180°→12h 当: δ⊙=0（春秋分），cost =0， t=90°2t=180°→12h 当: φ与δ⊙ 同号有： 0≥cost≥ -1（第二象限角） 即： 昼长夜短。 当: φ与δ⊙ 异号有： 1 ≥cost≥ 0 （第一象限角） ： 即： 昼短夜长。 当: - tgφtgδ⊙ ≥ 1 → 极夜现象。 当: - tgφtgδ⊙ ≤ -1→ 极昼现象。 释 义： 太阳直射点不在的半球。 地球处于冬半年的半球。 180°≥ t ≥ 90 ° 360°≥ 2t ≥ 180 ° 24h≥ 2t ≥ 12 h 释 义： 太阳直射点所在的半球。 地球处于夏半年的半球。 90°≥ t ≥ 0 ° 180°≥ 2t ≥ 0 ° 12h≥ 2t ≥ 0 h

夏半年(春分秋分)越北昼越长,越南昼越短。 冬半年(秋分春分)越南昼越长,越北昼越短。 （3）昼长的纬度变化和季节变化: 夏半年(春分秋分)越北昼越长,越南昼越短。 冬半年(秋分春分)越南昼越长,越北昼越短。 春秋二分全球昼夜平分，冬夏二至昼夜长短达到极值。 赤道终年昼夜平分。 : 0°30°50°66.5°90°较差 0h 4h 8h 24h 半年 纬度越高昼长年较差越大 极昼极夜总是出现在=±（90°- |⊙| ）的纬圈之内。 任意地点的昼长年平均值均为:12h 冬至 ⊙ 夏至  ⊙ 春秋分

4）四季的划分 1、四季的性质、含义与划分 天文四季——在半球范围内大气上界获得太阳热能的时间分配。 2、影响四季变化的天文因素: ①太阳高度角的年变化 由太阳直射点的回归运动所致. ② 昼夜长短的年变化

天文热量带地面温度带气候带植被带土壤带 3、五带的划分及特征 夏至点 冬至点 秋分点 P P' 春分点 （1）五带的性质与含义 ①性质：天文热量带 ②含义：大气上界太阳辐射的纬度分布 （2）五带的划分与意义： 天文热量带地面温度带气候带植被带土壤带 热 带 北温带 南温带 北寒带 无极昼极夜 北极圈 有极昼极夜 南极圈 有直射阳光 北回归线 南回归线 无直射阳光 南寒带 夏至(6月22日) 冬至(12月22日)

第四节 变化中的地球运动 一、自转速率的变化 177-178 二、极移 三、地轴进动 四、极移和岁差的区别

1、极移现象 在地轴空间指向不变的前提下，地球表面相对地轴运动，导致地极位移的现象。 2、极移规律 二、极移 1、极移现象 在地轴空间指向不变的前提下，地球表面相对地轴运动，导致地极位移的现象。 2、极移规律 范围——摆动幅度0.06″~0.25″（约15m直径的圆）。 方向——北极点逆时针移动。 周期——平均1.2年（410~440天）。 非周期性漂移：向格陵兰岛每百万年漂移1°。 3、极移成因 周期性极移：由地球弹性振荡与大气洋流季节运动引起 非周期性极移：与板块运动有关。 根本原因是——地球不是刚体。 4、极移后果 P 地轴 N 极地面

1960年IAG&IUGG将1900~1905年地极的平均位置定为固定平极,并以此作为极移跟踪的平面坐标原点，极原点记作CIO。 国际大地测量协会与地球物理联合会 4、极移后果 导致地球坐标系统发生微小的变化。 导致地球赤道发生微小的变化。 5、极移跟踪 1960年IAG&IUGG将1900~1905年地极的平均位置定为固定平极,并以此作为极移跟踪的平面坐标原点，极原点记作CIO。 6、极移测定 国际天文纬度站测定(1m) 甚长基线干涉法VLBI测定(5cm) 用子午卫星测定(30cm) 通过GPS卫星测定(5mm) 7、历元平极 某历元若干测站测 定的极点平均位置叫该历元平极。 CIO 本初子午线 Y 90°w X 1981 1982 1983 1984 1985 1986 16m

（3）成因：由于黄赤交角的存在,使日（月）对地球的赤道隆起带产生差异吸引形成力矩M,导致自转动量矩L不守恒所致。 （4）后果 三、地轴进动 （1）现象——地轴绕黄极缓慢旋转的现象。 （2）规律——方向自东向西，周期25800年。 （3）成因：由于黄赤交角的存在,使日（月）对地球的赤道隆起带产生差异吸引形成力矩M,导致自转动量矩L不守恒所致。 （4）后果 导致春分点西移——产生岁差现象。 导致北极星的变迁。 陀螺进动的成因与方向判断 地轴进动的成因与方向判断 陀螺竖直旋转时，重力作用线通过支点，重力对支点的力矩为0，动量矩 L守恒，陀螺无进动现象。 ☉ K' K → ← 日 （月） L 陀螺倾斜旋转时，重力对陀螺产生力矩为M，陀螺因此发生进动现象。 L 地球  M

地轴进动的方向——自东向西 地轴进动的周期——25800年

极移 地轴进动 运动形式 运动周期 运动结果 四、极移与地轴进动（岁差）的区别 不受外力作用，地轴在地球体内的自由摆动 在外力矩的作用下，自转轴被逼运动 运动周期 近14个月 25800年 运动结果 不改变天极和天赤道在恒星间的位置，对天体的赤道坐标和黄道坐标没有影响；但使地理坐标产生微小变化。 使天极、天赤道和春分点在恒星间的位置都不固定，使回归年短于恒星年；天体的赤经、赤纬和黄经都受到影响；但却不改变地理经纬度的数值。