地球概论实验验指导Word格式文档下载.docx
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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
04h35m
05h14m
07h38m
07h44m
19h50m
20h41m
+16°
26′
-08°
13′
+05°
17′
+28°
01′
+08°
49′
+45°
12′
(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
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
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
利用发生日、月食观测日、月食过程并作记录。
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。
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。
(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)
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。
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。
如果当地没有现成的日晷,可以自己动手在校内建造一座。
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。
对照有关资料,验证观测、计算得到的地方时、地理经度精度。
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