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1、天文学基础校本教材 天文学基础校本教材 杭师大附中地理组编 2012年9月 序言 当夜幕降临，仰望天空，看到繁星点点，你会不会有一种美不可言的感觉？应该会有的，何况如今更是难得看到那样一幅美妙的场景了。记得自己小时候，也曾经像祖冲之那样数着星星，幻想着有朝一日让后人的语文课本中那个数星星的孩子变成自己。如今，我知道这个天真的愿望、是不可能实现的，可是那调皮的星星却经常眨巴着眼睛告诉我们，世界到处充满了美好！ 宇宙神秘却不失美丽，“在木星上看木星的卫星当是一幅十分美妙的景象，众多的卫星不仅大小不一，尤为惹人注目的是一些卫星围绕木星自西向东旋转，另外一些卫星却是反其道而行之。土星是太阳系中最漂亮、

2、最具美丽的大行星，动人之处很多，如它那光彩亮丽的光环、令人眼花缭乱的颗卫星、比水还轻的密度，它那时有风暴出现的大气层、与地球相似的磁场和极光现象。”单单想象一下，就能够让眼前出现一幅美妙的图画。星星还给人一种浪漫的感觉，让人如痴如醉。 就这样，研究宇宙的天文学便出现了。人们学习天文学、研究天文，总可以用一种浪漫的感觉去描述它，而不失其真实性和科学性，并推动了人类文明的进步。天文学是六大基础科学之一，对人的素质提高和世界观的形成具有重要的意义。在国外，天文学课程的开设非常普及。而在我国，基础天文教育比较落后，观测基础设施也不完善，这与我国“科教兴国”的教育方针也不相符。长久以来，中国的教育重知识

3、、轻能力。人们发现现有的教育不符合时代的发展。于是，教育改革孕育而生。新课程要求教育激发学生的求知欲，培养学生独立思考、团体合作的精神。目前，虽然在中小学课本中有零星的天文知识介绍，但远远不能满足青少年的求知欲望和普及天文知识的需要。同时，21世纪是人类走向太空的世纪，要紧跟世界科技发展的潮流，我们就必须大力普及天文学。中国未来的希望在青少年，因此，天文学课程的开发显得极为迫切。本教材围绕星空观测，介绍望远镜、天体摄影等一系列的知识；并通过实地观测，巩固所需内容，同时培养学生团体合作、自主探究的能力。 第一章 绪论 1 天文学研究的对象和内容 2 天文学的发展史 3 天文学和人类社会 第二章

4、星空区划与四季星空 1 星空区划 2 四季星空 3 星空图的判读 第三章 天球坐标 1 天球 2 地平坐标系 3 时角坐标系 4 赤道坐标系 5 黄道坐标系 第四章 天文现象 1 日偏食 2 水星凌日 3 九星连珠 4五星连珠 5 双星半月 6金星凌日 第五章 光学望远镜 1 光学望远镜的分类 2 光学望远镜的参数指标 3 目镜简介 第六章 天文观测 1 观测场地的选择 2 天文观测中的注意事项 3 望远镜的使用 4 望远镜的保养 第七章 天文摄影 1 固定摄影 2 直焦摄影 3目镜放大摄影 4 进阶天文摄影 第一章 绪论 康德曾说过：“世界上有两件的东西能够深深地震撼人们的心灵，一件是我们心

5、中崇高的道德准则，另一件是我们头顶上灿烂的星空。”德国哲学家黑格尔也曾说过，“一个民族只有有一些关注天空的人，这个民族才有希望。”温家宝总理也写过仰望星空来教导中国青年去关注科学。这些都足以证明“星空”的重要性，而天文学就是研究这个星空的。 我们跟多人都很喜欢天文学，因为它呈献给大家一个充满奇幻色彩的宇宙。从浩瀚的宇宙到微小的宇宙粒子，从美丽的星系到神秘的外星人，这些都给人思维的碰撞，心灵的震撼以及无尽的想象。下面我就从天文学的基础知识作一个简单的介绍：天文学研究的对象和内容天文学所研究的对象涉及宇宙空间的各种星星和物体，大到 月球 、 太阳 、 行星 、 恒星 、 银河系 、 河外星系 以至

6、整个 宇宙 ，小到 小行星 、 流星体 以至分布在广袤宇宙空间中的大大小小尘埃粒子。天文学家把所有这些星星和物体统称为天体。人造卫星、宇宙飞船、空间站等人造飞行器的运动性质也属于天文学的研究范围，可以称之为人造天体。我们可以把宇宙中的天体由近及远分类为几个层次：(1) 太阳系 天体：包括太阳、行星（其中包括地球）、行星的卫星（其中包括月球）、小行星、彗星、流星体及行星际介质等。(2) 银河系中的各类恒星和恒星集团：包括变星、双星、聚星、星团、星云和星际介质。太阳是银河系中的一颗普通恒星。(3) 河外星系 ，简称星系，指位于我们银河系之外、与我们银河系相似的庞大的恒星系统，以及由星系组成的更大的

7、天体集团，如双星系、多重星系、星系团、超星系团等。此外还有分布在星系与星系之间的星系际介质。天文学按照研究的内容可分为天体测量学、天体力学和天体物理学三门分支学科。 天体测量学是天文学中发展最早的一个分支，它的主要内容是研究和测定各类天体的位置和运动，建立天球参考系等。 天体力学主要研究天体的相互作用、运动和形状，其中运动应包括天体的自转。天体物理是天文学中最年轻的一门分支学科，它应用物理学的技术、方法和理论，来研究各类天体的形态、结构、分布、化学组成、物理状态和性质以及它们的演化规律。天文学发展简史天文学的起源可以追溯到人类文化的萌芽时代。远古时候，人们为了指示方向，确定时间和季节，就自然会

8、观察太阳、月亮和星星在天空中的位置，找出它的随时间变化的规律。从这一点上来说，天文学是最古老的自然科学学科之一。从十六世纪中哥白尼提出日心体系学说开始，天文学的发展进入了全新的阶段。在这之前，包括天文学在内的自然科学，受到宗教神学的严重束缚。哥白尼的学说使天文学摆脱宗教的束缚。十八、十九世纪，经典天体力学达到了鼎盛时期。同时，由于分光学、光度学和照相术的广泛应用，天文学开始朝着深入研究天体的物理结构和物理过程发展，诞生了天体物理学。二十世纪现代物理学和技术高度发展，并在天文学观测研究中找到了广阔的用武之地，使天体物理学成为天文学中的主流学科，同时促使经典的天体力学和天体测量学也有了新的发展，人

9、们对宇宙及宇宙中各类天体和天文现象的认识达到了前所未有的深度和广度。 天文学就本质上说是一门观测科学。天文学上的一切发现和研究成果，离不开天文观测工具望远镜。1608年，荷兰人李波尔赛发明望远镜，1609年伽里略 制成第一架天文望远镜，从此天文学跨入了用望远镜观测、研究天象的新时代。在此后的近400年中，人们对望远镜的性能不断加以改进，并且越做越大。1932年美国人央斯基用他的旋转天线阵观测到了来自天体的射电波，开创了射电天文学。1937年诞生第一台抛物反射面射电望远镜。射电天文观测技术为天文学的发展作出了重要的贡献。二十世纪后50年中，随着探测器和空间技术的发展以及研究工作的深入，天文观测进

10、一步从可见光、射电波段扩展到包括红外、紫外、X射线和射线在内的电磁波各个波段，形成了多波段天文学，并为探索各类天体和天文现象的物理本质提供了强有力的观测手段，天文学发展到了一个全新的阶段。天文学和人类社会 可能有人会问，既然天文学的研究对象是星星、太阳、月亮，那么天文学和我们地球上人类的生活、工作又有什么关系呢？其实，作为一门基础研究学科，目前天文学学科研究的许多内容，在短时间内与我们人类似乎关系不大。但是，天文学家的工作在不少方面又是同人类社会密切相关的。人类的生活和工作离不开时间，而昼夜交替、四季变化的严格规律须由天文方法来确定，这就是时间和历法的问题。如果没有全世界统一的标准时间系统，没

11、有完善的历法，人类的各种社会活动将无法有序进行，一切都会处在混乱状态之中。人类已经进入空间时代。发射各种人造地球卫星、月球探测器或行星探测器，除了技术保证外，这些飞行器要按预定目标发射并取得成功，离不开它们运动轨道的计算和严格的时间表安排，而这些恰恰正是天文学在发挥着不可替代的作用。太阳是离我们最近的一颗恒星，它的光和热在几十亿年时间内哺育了地球上万物的成长，其中包括人类。太阳一旦发生剧烈活动，对地球上的气候、无线电通讯、宇航员的生活和工作等将会产生重大影响，天文学家责无旁贷地承担着对太阳活动的监测、预报工作。不仅如此，地球上发生的一些重大自然灾害，天文学家也在为之努力工作，并为防灾、减灾做出

12、自己的贡献。 特殊天象的出现，比如日食、月食、流星雨等，现代天文学已可以作出预报，有的已可以作长期准确的预报。1999年我国漠河地区发生一次日全食，中央电视台为之作了2小时40分钟的观测实况转播，而严格安排转播时间表的关键就是天文学家对日食的准确预报。1994年彗星撞击木星引起世人的严重关注，彗星会不会在某一天撞上地球而导致全球性灾难呢？天文学家正在密切关注这类事件发生的可能，并将会及早作出预报，和提出相应的对策措施，地球上的人们完全不必为此担心。 以上就是天文学的一些基本知识，从这些知识中我们能够更清楚地了解到天文学的伟大。这就是天文学，一个神奇、美丽、使人震撼的学科。天文学的魅力就在于它的

13、广阔，奇妙、变化多样以及太多的未知性。写完这篇文章后不禁被科学的奇妙而感动，爱上科学，爱上天文学。让我们怀着好奇的心去探索天文学的世界吧。 第二章 星空区划与四季星空在历史发展过程中，人们把宇宙中的天体划分成88个星座做春季星空的主要星座有:大熊座、小熊座、狮子座、牧夫座、猎犬座、室女座、乌鸦座、长蛇座。 见图2-1。在天顶略偏东北的方向，可以看到北斗七星，斗口两颗星的连线，指向北极星而此时的斗柄，正指向东，所以有云：斗柄东指，天下皆春斗柄北指，天下皆夏斗柄西指天下皆秋斗柄南指，天下皆冬。而顺着斗柄的指向，可以找到一颗亮星，即牧夫座的大角然后到达室女座的主星角宿一在大熊座的附近，可以找到一个叫

14、做猎犬座的小星座，其中有一个漩涡星云，即M51,是有名的河外星系。室女座被奉为主管农业的神，从它的主星角宿一略向西南，是由四颗星组成的乌鸦座乌鸦座的下面是长蛇座的尾部长蛇座从东向西，横跨半个多天空，是全天最大的星座之一。长蛇头部的东北，是著名的狮子座它是春夜星空最辉煌的中心狮子星座的主星，中名轩辕十四，是处于黄道上的一颗一等星。 图2-1 春季星空图夏季是看星的好时节，天黑以后向西看，就找到狮子星座狮子座东面是室女座在天空南方，比较低的星空闪耀着一颗红色的亮星，它是天蝎座的主星心宿二，也是一颗处在黄道上的亮星天蝎座的明显特征是有三颗星等距成弧摆开，心宿二恰在圆心在我国古代天文学中，天蝎属商星，

15、猎户属参星刚好一升一落，永不相见，于是有诗人说：人生不相见，动如参与商天蝎座东面，就是人马座，人马座的东半部分，有六颗星，被称为南斗。在天蝎与人马一带的星空，有一条白茫茫的光带，那就是银河了顺着银河向东北找，可以看到紧靠着一个四边形的织女星和带着左右两颗小星的牛郎星而与着这两颗亮星组成一个三角形的一颗亮星，就是天津四，它和它所属的天鹅座的其它星组成了一个十字，很好辨认。北斗七星此时在西北天，找到牧夫座后，向东，在差不多天顶的位置，有个半圆形的星座，叫做北冕座，就象一个镶满珠宝的皇冠，这里聚集着大量的星系。见图2-2。 图2-2 夏季星空图秋夜的星空晴朗透明，也是看星的好机会。见图2-3。在西南

16、地平线上，人马座已经斜挂在那儿了古书上说：北斗阑干南斗斜就是指这西方的天空还有牛郎织女在窃窃私语，天津四也在那做电灯泡而南方却只有一颗孤独的亮星北落师门东北角上升起了两颗亮星：五车二（御夫座主星），毕宿五（金牛座主星）。秋夜星空多的是王公贵族：仙王，仙后，仙女，英仙，飞马，鲸鱼。天顶偏东是飞马座仙女座就是在飞马座东北的一字形星座仙女座北面是形的仙后座仙后座西面是仙王座，东面是英仙座。英仙座与仙后座之间是英仙座双重星团仙女座则有一个著名的大星系：仙女座大星云这是一个比银河系还大得多的星系，也是北半天中距离我们最近的一个星系。 图2-3 秋季星空图冬季虽然寒冷，但星空却极其壮丽。见图2-4。猎户座

17、是冬季星空的中心。入夜后，就可看到三颗排列整齐的亮星，民间说三星高照就是它们了三星的周围有四颗亮星和三星组成一个长方形，就是猎户座三星就是猎户的腰带。三星连线想左下方延长，就能遇到全天最亮的恒星：天狼星它是大犬座的主星从三星向右上方延长就是红色亮星毕宿五旁边是五车二。金牛座东南是双子座，在向东是巨蟹座，再往东是狮子的头部了。猎户座的西南是漫长巨大却十分暗淡的波江座主星水委一，要到广东才依稀看到猎户座正南方是天兔，天鸽座在往南是船底座的主星老人星。猎户座的三星下方，有一片亮斑，那就是猎户座大星云三星最左边的那颗旁边是马头星云金牛座的昴星团是一个极好看的疏散星团大约由颗恒星组成。 图2-4 冬季星

18、空图第三章 天球坐标系天球 天球是人们为研究问题方便而假想的球体，虽然它不是真实存在着的球体，但是天空给予人们的布满天体的球体印象却是非常直观的。像地表上有圆和点一样，天球上也有圆和点，而且天球上的圆也有大圆和小圆之分。大圆是以球心为圆心的圆，也就是过球心的平面无限扩展与天球相割而成的圆；小圆则不是以球心为圆心的圆，所有小圆所在的平面，都不通过球心（如图31）。任何一个大圆都有两个极点，极点到大圆上任何一点的角距离都是相等的，都是90。当然两个相对应的极点连线与其大圆是垂直的。天球上也有方向，天球上的方向，是以地球自转为基础，是地球上的方向的延伸。例如，和地球上经线相对应的南北方向，和地球上纬

19、线相对应的东西方向。在天球上，也有距离。但是，只有角距离，而没有直线距离。例如，织女星和牛郎星，相距为16.4光年，但是在天球上，只能看到它们之间相距约35。所以，天球上的距离，实际上是天体之间方向上的夹角，而不是其真实的直线距离。有了地理坐标系，便可以确定地面上任一地点的位置。为了确定和研究天体在天球上的位置和运动规律，人们规定了天球坐标系。根据不同的用途，有不同的天球坐标系。经常采用的天球坐标系有：地平坐标系、时角坐标系、赤道坐标系和黄道坐标系。不同的坐标系，具有各不相同的组成要素。各种坐标系都是在各自的基本圈和基本点的基础上建立起来的。因此，基本圈和基本点的确定，是建立天球坐标系最重要的

20、内容，它决定着各种坐标系最本质的特征和不同的用途。一、地平坐标系地平坐标系是一种最直观的天球坐标系，和我们日常的天文观测关系最为密切。例如，在晴朗的傍晚，观测者经常可以看到人造卫星在群星间的运行，和大量的流星现象，它们的运行速度都很快，用什么方法能够快速、简便地记录下卫星或流星的位置呢？最简便的方法就是记下某瞬间该卫星或流星的地平经度（方位）和地平纬度（高度），这就是我们所要讨论的地平坐标系。1.基本圈和基本点地平坐标系中的基本圈是地平圈，基本点是天顶和天底。地平圈就是观测者所在的地平面无限扩展与天球相交的大圆。从观测者所在的地点，作垂直于地平面的直线并无限延长，在地平面以上与天球相交的点，称

21、为天顶；在地平面以下与天球相交的点，称为天底。在天球上，天顶和天底与地平圈的角距离均为90，只不过一个在地平圈以上，另一个在地平圈以下。地平圈把天球分为可见半球和不可见半球两部分。由于天球的半径是任意长的，而地球的半径则相对很小，因此，观测者所在的点可以认为是与地心重合的，地平圈也可以看成是以地心为圆心的，这与观测者所在点的地平面在天球上是完全一致的。通过天顶和天底可以作无数个与地平圈相垂直的大圆，称为地平经圈；也可以作无数个与地平圈平行的小圆，称为地平纬圈。地平经圈与地平纬圈是构成地平坐标系的基本要素。地轴的无限延长即为天轴，天轴与天球有两个交点，与地球北极相对应的那个点叫做天北极，与地球南

22、极相对应的那个点叫做天南极。通过天顶和天北极的地平经圈（当然也通过天底和天南极），与地平圈有两个交点；靠近天北极的地个点为北点，靠近天南极的那个点为南点。北点和南点分别把地平圈和地平经圈等分。根据面北背南、左西右东的原则，可以确定当地的东点和西点，即面向北点左90为西点，右90为东点。这样，就确定了地平圈上的东、西、南、北四方点。在地平坐标系中，通过南点、北点的地平经圈称子午圈。子午圈被天顶、天底等分为两个180的半圆。以北点为中点的半个圆弧，称为子圈，以南点为中点的半个圆弧，称为午圈。在地平坐标系中，午圈所起的作用相当于本初子午线在地理坐标系中的作用，是地平经度（方位）度量的起始面（如图21

23、1）。2.方位方位即地平经度，是一种两面角，即午圈所在的平面与通过天体所在的地平经圈平面的夹角，以午圈所在的平面为起始面，按顺时针方向度量。方位的度量亦可在地平圈上进行，以南点为起算点，由南点开始按顺时针方向计量。方位的大小变化范围为0360，南点为0，西点为90，北点为180，东点为270。上述这种方位度量是在天文学中所用的方法。在大地测量中方位则采用另外一种量算方法。就是以北点为起算点，按顺时针方向度量，其值亦是由0360。这种量算方位所得的数值，与天文测量上量算的方位值相差180，如北点为0，东点为90，南点为180，西点为270。方位在地理学和天文观测中有着广泛的应用。例如，在野外地质

24、调查中，经常要测量沉积岩岩层的倾向，即岩层的倾斜方向，它就是用方位来表示的。它是用北点的方向与岩层倾斜方向的夹角表示的。如果，其值介于090，则岩层向东北倾斜，在90180之间则向东南倾斜，在180270之间则向西南倾斜，在270360之间则向西北倾斜。在天文观测中，如果预报或观测到某一天文现象，发生时的方位（南点为起点）为45，则表示该天文现象发生于西南方。我们这里所说的方位，一般是指天文学中的概念，即南点是它的起点，午圈所在的平面是它的起始面。3.高度高度即地平纬度，它是一种线面角，即天体方向和观测者的连线与地平圈的夹角。在观测地，天体的高度就是该天体的仰视角。此时无所谓向下计量的高度；但

25、是，在计算时，则会出现负的高度值，这意味着天体位于地平圈以下，即位于不可见半球。天体的高度可以在地平经圈上度量，从地平圈起算，到天顶为090，到天底为0（90）。如图212表示天体的方位和高度的量算。地平坐标中的方位，还可以用来测定地物相对于观测者的方向。天体的高度和方位可以用经纬仪直接测出，也可以用量角器大致估测。4.地平坐标系的变化地表各点位置不同，地平坐标系的基本圈（地平圈）和基本点（天顶和天底），也随之不同。所以，在不同地点同时观察同一天体，所得到的方位和高度是不相同的；在同一地点，由于地球的自转，时间的延续，对于同一天体在不同的时刻进行观测，其方位和高度也是不相同的。所以，地平坐标值

26、是因地因时而不同。随时间和地点的变化而变化是该坐标系的显著特征。例如，太阳刚升起的时刻，其方位较大，高度为0；到了正午时，太阳位于正南方的天空中，其方位为0，高度则增到了一天中的最大值；到了太阳落山时刻，其方位和高度又发生了明显的改变。这就是地平坐标值随时间的变化，这种变化是地球自转造成的。下面分别介绍在不同地点，地平坐标系的变化情况：如图213所示，为观测者在北极的地平坐标系。此时，地平圈与天轴垂直，与地理赤道在天球上投影重合，天北极与天顶重合，天南极与天底重合。因此，天北极的高度就是天顶的高度，其值为90。观测者位于赤道的地平坐标系，如图214所示。在这种情况下，地平圈与天轴位于同一平面，

27、天北极和天南极与天顶、天底的角距离均为90，地平圈与天赤道垂直，天北极和天南极位于地平圈上。因此，天北极和天南极的高度都是0。如图215所示，为观测者在北半球纬度的地平坐标系。在这里地平圈与天轴的夹角为，这是因为地理纬度为的地平面与地轴的夹角为。所以，天北极的高度就是，也就是，在北半球的任何一个地点，天北极的高度等于该地的地理纬度。这一规律给我们提供了一种天文测纬的基本方法。只要测量了天极在某地的地平高度，就得出了该地的地理纬度。地平坐标系能把天体在当时当地的天空位置直观地、生动地表示出来。例如，若某人造卫星在某时刻的地平坐标值为：方位270，高度45，则说明，此时该人造卫星在正东方的天空，其

28、仰角为45。在某地连续数小时观测某一恒星在天空中的位置变化，则可以看出该恒星的高度和方位是随着时间的推移而变化的。由此，可以对地平坐标系的含义有更清楚的认识。二、时角坐标系时角坐标系是另外一种用定量的方法表达天体位置的天球坐标系，它对于计时制度的确立具有重要意义。1.基本圈和基本点时角坐标系的基本圈是天赤道，基本点是天北极和天南极。天赤道是地球赤道面无限扩展与天球相交而成的大圆，它与天轴是垂直的。天赤道把天球分为北半天球和南半天球两部分。平行于天赤道可以在天球上作无数个小圆，称赤纬圈。天北极和天南极是时角坐标系的基本点，通过天北极和天南极可以作无数个垂直于天赤道的大圆，称为赤经圈，又称为时圈。

29、赤经圈和赤纬圈是构成时角坐标系的基本要素。在无数个赤经圈中，其中通过地平圈上南点和北点的赤经圈，叫做子午圈。在这里子午圈的定义与地平坐标系中子午圈是统一的，只是从两个不同的角度去说明的。子午圈与天赤道有两个交点，位于地平圈之上的交点，称为上点，用Q表示，位于地平圈之下的交点，称为下点，用Q表示，子午圈被天北极和天南极等分为两个180的半圆。以Q点为中点而且过南点的半圆，叫做午圈；以Q点为中点而且过北点的半圆，叫做子圈。在度量天体的时角（时角坐标系的经度）时，午圈起到起始圈的作用，可以类比于地理坐标系中的本初子午线和地平坐标系中的午圈（如图216）。2.时角时角是时角坐标系中的经度。它是两面角，

30、即过午圈的平面与过天体赤经圈的平面而成的两面角。它的大小可以用小时计量， 范围在024小时，也可以用角度表示，范围在0360。因此，每小时对应15，每分钟对应15。度量时可以在天赤道上进行，按顺时针方向量算。如上点（Q）为0小时或0，下点则为12小时或1803.赤纬赤纬即时角坐标系中的纬度。是一种线面角，即天体方向与天赤道平面的夹角。量算时要以天赤道为起始面，向北、向南度量，天赤道上的点赤纬都是0，天北极的赤纬是+90，天南极的赤纬是-90。如图2-17表示天体的时角和赤纬的量算。例如，在北纬40的地方（如图2-18），北点、上点、东点、天北极、天顶等各点的地平坐标值和时角坐标值均可以求出。在

31、计量时要注意方位和时角的度量方向均是顺时针的，前者的起点是南点，后者的起点是Q点，见表2-2。三、赤道坐标系地平坐标系和时角坐标系虽然各有其优点，但是对于编制、记录恒星位置的量表工作来说，它们是不能使用的，因为天体的方位和高度以及时角，每时每刻都在变化。而赤道坐标系则具有相对不变的优越性。1.基本圈和基本点赤道坐标系的基本圈和基本点与时角坐标系完全相同，分别是天赤道、天北极和天南极。与时角坐标系不同的是：赤道坐标系的经度（赤经），度量时是以春分圈为起始圈的。地球绕太阳公转轨道平面无限扩展与天球相交所得的大圆，称为黄道。由于地轴相对于黄道面呈6634的倾斜角度，所以，黄道与天赤道呈2326的夹角。这两个不在同一平面上的大圆