天文学基础知识天球和天球坐标系市公开课一等奖百校联赛获奖课件.pptx

天球与天球坐标系天文学基础n天文协会学术部天文协会学术部 沙永强沙永强第1页 天体因为引力和运动使它们保持相正确平衡。当我们抬头仰视星空时，从视觉上极难分辨出天体距离远近，视乎是等距，它们同观察者关系，如同地球面上点同球心关系，这么太阳，月亮和恒星看起来似乎都分布在一个很大球面上，不论我们走在什么地方，都有这种感觉。这个以观察者为中心，以任意长为半径假想球，称为天球。第2页 实际上，我们知道并不存在这么球。但天文学中仍保留了天球概念，用来表示天体目视运动辅助工具。在天球上作一些假想点和线，利用它们来确定星球视位置。视位置定义为：把不一样远近星星与观察者眼睛连成直线延长，它们和天球相交点，即星星在天球上投影。第3页1.天球是存在中心选择不一样天球中心：观察者 观察者天球地 心 地心天球（主要用于表示太阳系外天体是运动和视位置）日 心 日心天球（主要用于表示太阳系内天体是运动和视位置）2.天球半径是任意它包容一切，不论天体怎样遥远，天球上总有它位置3.在同一视线上不一样远近星球，在天球上视位置是重合4.全部相互平行直线向同一方向延长，和天球交于一点这是因为天球半径无限大，所以观察者任何位移都比圆球半径小得多。几个天球相关性质第4页 球面三角基础知识球面三角基础知识一、球面上圆 （大圆、小圆）定理：n n任何平面和球面交线都是正圆。定义：n n经过球心平面与球面交线，是直径最大圆，叫做大圆。n n不经过球心平面与球面交线，叫小圆。第5页大圆小圆第6页n n球面上两点距离n n圆极 大圆极点：经过球心与大圆所在平面相垂直线与球面两个交点。第7页 天天 球球以任意点为球心，任意长为半径，为以任意点为球心，任意长为半径，为研究天体位置和运动而引进一个与人研究天体位置和运动而引进一个与人们直观感觉相符假想圆球。们直观感觉相符假想圆球。特点：特点：1 1、与直观感觉相符科学抽象、与直观感觉相符科学抽象2 2、天体在天球上位置只反应天体视方向投影、天体在天球上位置只反应天体视方向投影3 3、天球上任意两天体距离用其角距表示、天球上任意两天体距离用其角距表示4 4、地面上两平行方向指向天球同一点、地面上两平行方向指向天球同一点5 5、任意点为球心、任意点为球心6 6、观察者、观察者“由内向外由内向外”看看第8页地理坐标地理坐标n n经度 纬度n n赤道圈 本初子午圈第9页11、2 2 天球上基本点圈天球上基本点圈1、天极(p、p,)和天赤道(Q、Q,)2、天顶(Z)天底(Z,)和真地平3、天子午圈、四方点、和卯酉圈4、黄道和黄极5、二分点和二至点6、天极在天球上位置 h北第10页1 1、天极和天赤道：、天极和天赤道：天极：天极：P P 过天球中心做过天球中心做一与地球自转轴平行一与地球自转轴平行直线（天轴），它与直线（天轴），它与天球相交两点为天极。天球相交两点为天极。天赤道：天赤道：过天球中心做过天球中心做一与天轴垂直平面，一与天轴垂直平面，它与天球相交大圆为它与天球相交大圆为天赤道。天赤道。第11页2 2、天顶、天底和真地平：、天顶、天底和真地平：天顶：天顶：Z Z 过天球中心做一过天球中心做一直线与观察点铅垂线平直线与观察点铅垂线平行，交天球于两点，位行，交天球于两点，位于观察者头顶一点称天于观察者头顶一点称天顶。顶。天底：天底：Z Z 与天顶相正确另一与天顶相正确另一交点为天底。交点为天底。真地平：真地平：过天球中心做一过天球中心做一与铅垂线垂直平面，与与铅垂线垂直平面，与天球相交大圆为真地平。天球相交大圆为真地平。第12页 3 3、天子午圈、四方点、卯酉圈、天子午圈、四方点、卯酉圈天子午圈：天子午圈：过天极和天过天极和天顶大圆。顶大圆。四方点：四方点：天子午圈与真天子午圈与真地平相交两点为南北地平相交两点为南北点，（靠近北天极为点，（靠近北天极为北点）天赤道与真地北点）天赤道与真地平相交两点为东西点。平相交两点为东西点。卯酉圈：卯酉圈：过天顶和东西过天顶和东西点所做大圆。点所做大圆。第13页4 4、黄道与黄极、黄道与黄极黄道：黄道：过天球中心做一过天球中心做一与地球公转轨道平面与地球公转轨道平面平行平面为黄道面，平行平面为黄道面，与天球相交大圆为黄与天球相交大圆为黄道。道。黄极：黄极：黄道所对应两个黄道所对应两个极点。极点。黄赤交角：黄赤交角：黄道与赤道黄道与赤道交角。交角。23230 0.5.5第14页5 5、二分点、二至点、二分点、二至点二分点：二分点：黄道与天赤道两个黄道与天赤道两个交点。交点。春分点；秋分点春分点；秋分点二至点：二至点：黄道上与二分点相黄道上与二分点相距距90900 0另两个点。另两个点。夏至点；冬至点夏至点；冬至点第15页 当地地理纬度等于北极星高度第16页 天天 球球 坐坐 标标一、地平坐标系一、地平坐标系 基本点：天顶基本点：天顶 天底天底 基本圈：真地平基本圈：真地平 原点：南点原点：南点 北点北点 地平高度地平高度 h:h:由真地平沿过天体地平经由真地平沿过天体地平经圈向天顶、天底量度圈向天顶、天底量度 （0 00 0 90 900 0）（天顶距（天顶距 Z):ZZ):Z90900 0h h 方位角方位角 A:A:由南点或北点沿真地平顺由南点或北点沿真地平顺时针度量到过天体地平经时针度量到过天体地平经圈圈 （0 00 0 3603600 0）第17页二、时角坐标系 赤道坐标系一个赤道坐标系一个 基本点：天极基本点：天极 基本圈：天赤道基本圈：天赤道 原点：子午圈与天赤道原点：子午圈与天赤道南边交点。南边交点。赤纬赤纬赤纬赤纬 ：由天赤道沿过由天赤道沿过天体赤经圈向两极方向天体赤经圈向两极方向度量度量 （0 00 0-90-900 0）时角时角时角时角 t t t t：由原点沿天赤道由原点沿天赤道顺时针量至天体所在赤顺时针量至天体所在赤 经圈经圈 （0 0h h 24 24h h）第18页 三、赤道坐标系三、赤道坐标系 原点：春分点原点：春分点 赤纬赤纬赤纬赤纬 ：同上同上 赤经赤经赤经赤经 ：由春分点由春分点沿天赤道逆时针方向沿天赤道逆时针方向量至天体所在赤经圈量至天体所在赤经圈 （0 0h h 2424h h)第19页第20页四、黄道坐标基本点：黄极基本点：黄极基本圈：黄道基本圈：黄道 原点：春分点原点：春分点 黄纬黄纬黄纬黄纬：由黄道沿过天由黄道沿过天体黄经圈向两边度量体黄经圈向两边度量 （0 00 0 90 900 0）黄经黄经黄经黄经：由春分点沿黄由春分点沿黄道逆时针量至天体所道逆时针量至天体所在黄经圈与黄道交点在黄经圈与黄道交点（0 00 0 360 3600 0)第21页赤道坐标与黄道坐标赤道坐标与黄道坐标 第22页五、银道坐标五、银道坐标基本点：l 银极基本圈：b 银道面 原点：银道与赤道北交点（1958年前）银河系中心方向（现在）银纬银纬 ：由银道向北（南）度量（00-900）银经银经 ：由银河系中心逆时针量至天体所在银经圈与银道交点 00 3600)第23页地平坐标系地平坐标系时角坐标系时角坐标系赤道坐标系赤道坐标系黄道坐标系黄道坐标系银道坐标系银道坐标系基本点基本点天顶、天底天顶、天底天极天极天极天极黄极黄极银极银极基本圈基本圈真地平真地平天赤道天赤道天赤道天赤道黄道黄道银道面银道面原点原点北点北点子午圈与天赤道南边交点春分点春分点春分点春分点银银河系中心方河系中心方向向纬圈纬圈地平高度地平高度h，自真地平向天自真地平向天顶度量为正顶度量为正（0 90）赤纬：由天赤道沿过天体赤经圈向两极方向度量（0-90）同同“时角坐标系时角坐标系”黄纬：由黄道沿过天体黄经圈向两边度量（0 90）银纬银纬l l：由银：由银道向北（南）道向北（南）度量（度量（0-90）经圈经圈方位角方位角A，自，自北向东度量北向东度量（0 360)时时角角 t：由原点：由原点沿天赤道顺时针沿天赤道顺时针量至天体所在赤量至天体所在赤 经圈经圈 （0h 24h）赤赤经经：由春分：由春分点沿天赤道逆时点沿天赤道逆时针方向量至天体针方向量至天体所在赤经圈（所在赤经圈（0h 24h)黄黄经经：由春：由春分点沿黄道逆分点沿黄道逆时针度量（时针度量（0 360)银经银经b b：由银：由银河系中心逆时河系中心逆时针度量（针度量（0 360)应用应用天文航海、天文航空、人造地球卫星观察及大地测量等观察恒星、星云、星团等遥远天体经常采取赤道坐标系，被广泛应用于天体测量和天体物理学中观察太阳以及太阳系内运行在黄道面附近天体对银河系观察，则要采取银道坐标系第24页 天球坐标系变换天球坐标系变换 由球面三角基本知识，我们能够证实天文坐标系之间换算 一、地平坐标与时角坐标换算地平坐标与时角坐标换算：设天体地平坐标为（A、z）,时角坐标为(t,),观察地点地理纬度为。对以北天极P、天体X和天顶Z为顶点球面三角形，如图所表示，由球面三角基本公式，可得出以下换算式。第25页（1）已知天体方位）已知天体方位角角A和天顶距和天顶距z，利，利用球面三角公式求用球面三角公式求天体赤经天体赤经和赤纬和赤纬 sin=sin cosz-cos sinz cosA sin=sin cosz-cos sinz cosA cos sint=sinz sinA cos sint=sinz sinA cos cost=sin sinz cosA+cosz cos cos cost=sin sinz cosA+cosz cos 已知地方区时（如北京时）能够计算出地方恒星时，由地已知地方区时（如北京时）能够计算出地方恒星时，由地方恒星时方恒星时S S 与与 时角时角t t 关系式，关系式，=S-t=S-t，可求出天体时角，可求出天体时角t t。第26页（2）已知天体赤经）已知天体赤经和赤纬和赤纬，求天体方，求天体方位角位角A和天顶距和天顶距z（或（或地平高度）地平高度）利用以下球面三角公式即可 cosz=sin sin+cos cos cost sinz sinA=cos sint sinz cosA=-sin cos+cos sin cost第27页二、赤道坐标与黄道坐标换算公式 设天体黄纬为设天体黄纬为设天体黄纬为设天体黄纬为，黄经为，黄经为，黄经为，黄经为；天体赤经为天体赤经为天体赤经为天体赤经为，赤纬为，赤纬为，赤纬为，赤纬为；黄道与；黄道与；黄道与；黄道与赤道夹角为赤道夹角为赤道夹角为赤道夹角为 则黄道坐标与赤道则黄道坐标与赤道则黄道坐标与赤道则黄道坐标与赤道坐标换算公式：坐标换算公式：坐标换算公式：坐标换算公式：（1 1）由天体赤经）由天体赤经、赤纬、赤纬；黄道与赤道夹角；黄道与赤道夹角，求，求天体黄经天体黄经、黄纬、黄纬 sin=cossinsin=cossin sincossin sincossin coscos=coscos coscos=coscos cossin=snisin+coscossin cossin=snisin+coscossin 第28页（2）由天体黄经）由天体黄经、黄纬、黄纬与黄赤与黄赤夹角夹角，求赤经，求赤经、赤纬赤纬，sin=cossin+sincossincoscos=coscoscossin=-sinsin+coscossin第29页 在地球赤道地域看到全部天体都垂直于平面做圆运动 在中纬地域看到天体周日视动 在地球南、北极地域看到全部天体都平行于地平圈做圆运动 天体周日视运动一、不一样纬度处天体视运动：1、极区：2、赤道地域：3、中纬度地域：第30页第31页二、永不上升与永不下落天体二、永不上升与永不下落天体 1 1、永不下落天体：、永不下落天体：（90900 0）永不上升天体：永不上升天体：（90900 0）2 2、地理纬度越高，、地理纬度越高，这类天体越多：这类天体越多：极区：各半；极区：各半；赤道：无赤道：无第32页第33页第34页第35页三、天体中天三、天体中天 1 1、上中天：、上中天：在天极以南过子午圈。在天极以南过子午圈。2 2、下中天：、下中天：在天极以北过子午圈。在天极以北过子午圈。1 1、上中天：、上中天：在天顶以南：在天顶以南：；Z Z 在天顶以北：在天顶以北：；Z Z2 2、下中天：、下中天：Z Z1801800 0（）Z Z（90900 0）（90900 0）第36页为何四季星空不一样为何四季星空不一样第37页太阳周年视运动太阳周年视运动n n太阳周年视运动是地球公转反应：地球绕太阳公太阳周年视运动是地球公转反应：地球绕太阳公转轨道是一个椭圆，太阳位于椭圆焦点上（开普转轨道是一个椭圆，太阳位于椭圆焦点上（开普勒第一定律），公转周期为一年；勒第一定律），公转周期为一年；n n地球公转方向与自转方向一致，地球自转轴空间地球公转方向与自转方向一致，地球自转轴空间指向在公转过程中保持不变指向在公转过程中保持不变（思索题：如变，对（思索题：如变，对我们生活有什么影响？）我们生活有什么影响？）；n n在地球上不会感觉到地球绕太阳运动，只能看到在地球上不会感觉到地球绕太阳运动，只能看到太阳在恒星背景上沿黄道运动，周期与公转周期太阳在恒星背景上沿黄道运动，周期与公转周期相同，称为太阳周年视运动相同，称为太阳周年视运动第38页四季星空成因第39页第40页 古人很早就古人很早就注意到了四注意到了四季星空改变。季星空改变。斗柄东指，斗柄东指，天下皆春；天下皆春；斗柄南指，斗柄南指，天下皆夏；天下皆夏；斗柄西指，斗柄西指，天下皆秋；天下皆秋；斗柄北指，斗柄北指，天下皆冬；天下皆冬；东东第41页当太阳位于：当太阳位于：春分点时春分点时:（3 3月月2121日）日）0 0h h 0 00 0夏至点时夏至点时:（6 6月月2222日）日）6 6h h 23230 0.5.5秋分点时秋分点时:（9 9月月2323日）日）1212h h 0 00 0冬至点时冬至点时:（1212月月2222日）日）1818h h 23230 0.5.5第42页太阳周年视运动与廿四节气太阳周年视运动与廿四节气太阳周年视运动与廿四节气太阳周年视运动与廿四节气n n太阳黄经从春分点起算，沿逆时针度量。太阳黄经从春分点起算，沿逆时针度量。太阳连续两次经过春分点时间间隔为一太阳连续两次经过春分点时间间隔为一个回归年；个回归年；n n廿四节气是一个回归年中廿四节气是一个回归年中2424个时刻，对个时刻，对应于太阳周年视运动应于太阳周年视运动2424个角度等分位置个角度等分位置（注意不是时间等分）；（注意不是时间等分）；n n廿四节气是中国古代文明独特创造；廿四节气是中国古代文明独特创造；n n因为地球公转轨道是椭圆，轨道运动速因为地球公转轨道是椭圆，轨道运动速度不均匀（开普勒第二定律），故按照度不均匀（开普勒第二定律），故按照太阳黄经值等分二十四节气时间间隔不太阳黄经值等分二十四节气时间间隔不均匀；均匀；n n任一节气到下一年同一节气时间间隔是任一节气到下一年同一节气时间间隔是严格相等，为一个回归年；严格相等，为一个回归年；第43页日地距离与冷暖改变日地距离与冷暖改变n n列子 汤问 两小儿辩日n n太阳到地球实际距离存在年改变：冬天比夏天近500万公里，约为日地平均距离3%；n n地球表面冷暖差距不是日地距离差造成，而是太阳照射角度不一样造成第44页