地球概论（Introduction to Planet Earth）主要是从行星角度来审视地球及其宇宙环境。其内容包括地球的天文学和地球的物理学两方面，前者为重点。由于天文学知识比较抽象，安排适当的课间实习将有助于学生理解概念、掌握知识，同时也有助于培养学生的动手操作能力，理论联系实际。

根据《地球概论》教材内容，安排天球仪使用、星空观测（崇明东滩）、太阳黑子观测、行星观测、月面观测、日月食观测、地理坐标的简易测定、参观佘山天文台等8个实习。这些实习紧扣课本知识，目的明了，方法简单，易于掌握。

　　实习有的在室内进行，有的则在室外，甚至很远（如崇明东滩、佘山）。需配备两名助教。如听课学生超过百名，为保证教学质量最好采取分班上课。

一、天球仪的使用

（一）   目的与要求

熟悉天球仪结构；了解天球的各种坐标和天体的相对位置；并学会在天球仪上求解一些天文学的问题。

（二）   主要内容

    观察天球仪的结构，演示天球的视运动，在天球仪上直接求解问题或按已知条件在天

球仪上求解问题。

（三）   仪器用品

    天球仪、圆规等。

(四) 原理方法

1.天球仪的结构

天球仪由天球、地平圈、子午圈和支架四部分组成。

如图１所示

（１）天球　　天球是天球仪的主体，其中心轴线代表天轴。天轴两端有轴承，装在子午线圈上，用以支持天球的旋转。两个轴承即天北极P和天南极P¹。天球上距两天极相等距离的大圆为天赤道。和天赤道正交的半大圆（以两极为终端）是赤经圈，其间是1^h（15⁰），其赤经值注明在天赤道上。和天赤道平行的小圆是赤纬圈，间距一般是10⁰，和天赤道斜交约23.5°的大圆为黄道，在其上注明黄经度数、日期和节气，表明不同日期太阳在周年视运动中的位置。黄道的两个极，即黄北极和黄南极，他们分别与天北极和天南极的角距离亦约23.5°。黄道和天赤道相交的两点：春分点和秋分点，O^h赤经线通过的点是春分点，12^h赤经线通过的点是秋分点。6^h赤经线与黄道的交点是夏至点，18^h赤经线与黄道的交点是冬至点。天球上绘有星座图形，肉眼可见的有星团和星云及银河等，银河的中心线是银道。

（2）子午圈   子午圈是通过天极和测点所在地天顶的大圆。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）。

(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。

（四）       操做步骤

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7^h50^m 和 4 ^h20 ^m 时天狼星的时角各是多少？

将春分点从午圈起向西转7 ^h 50 ^m（即7 ^h 50 ^m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1 ^h 09 ^m；将春分点从午圈起向西转4 ^h 20 ^m，可读得天狼星的时角约21 ^h 39 ^m。

天狼星的赤经α=6 ^h 44 ^m，赤纬δ=-16°42′，在地方恒星时S=7^h50^m时，它的时角t=1^h09^m。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。12 ^h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

(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

 (3)填写太阳在下列日期的赤经和赤纬

(4)求出广州(23°00′N，113°13′E)在12月22日和6月22日日出和日没时刻(北京时)、方位、正午太阳高度和昼长。

二、星空观测（崇明东滩或佘山）

(一)  目的和要求

通过肉眼对星空的观测，认识天空中主要的星座和亮星及其相对位置，了解星星的分布格局，并掌握星空指示的时间 、方向、变化规律和星图的用法。

(二)  主要内容

一是利用星图熟悉星空分布大势，记住全天21颗亮星及其所在的星座、星区和相对位置；二是认识四季星空，掌握星空变化规律。

(三)  仪器用品

天球仪、星图、手电筒

(四)  观星原理

1.星空分布大势

为了对全天星座分布大势有一个全局性的认识，将星空按赤经分为“四大星区”(见图2)。每一星区跨赤经6^h,各以其拱极星座或著名星座命名，从0 ^h赤经线开始，自西向东依次为仙后星区、御夫星区、大熊星区、天琴星区，简称“后、御、熊、琴”。现将四大星区的主要星座和亮星的特征于表1。

2.星空变化规律

(1)由于地球自转，产生了星空的周日变化，即恒星在同一天中不同时刻的方位和高度有所不同。

(2)由于地球公转，产生了星空的周年变化 ，地球每日东移1°相对于星空则每日西移1°，需4分钟，一个月提前2小时，一年后重归原位。

(3)不同纬度观测者所观测到的星空区域不同，两极地方，只能见到半个天球的星，赤道地区，可见全天球的星。纬度越低可见的星越多。广州理论上只能观察到赤纬

-67°以北的恒星。

表1.1  四大星区、主要星座、亮星及特征

3.四季星空

事实上一年中的任何季节都适宜观星，只是不同季节星座的出没情况不同。这里以北半球为例分述不同季节天空的主要星座。

图2　　四瓣简明星图

(1)春季星空  春季出现的主要星座有：狮子、御夫、猎户、牧夫、室女等星座。大熊、御夫两星座分别位于子午圈的东西两侧，占有可见天空的中部、东部、西部和南部。天琴、仙后两星区一小部分可见，出现在北天的低空(图3)。偏东天空有大熊、狮子、室女和牧夫等星座。偏西天空有御夫、双子、金牛、猎户、大犬、小犬等星座，亮星较多。天顶附近有亮星北河三(双子座)南河三(小犬座α)。狮子座最引人注目，初春的黄昏它便出现在东方，状如一匹伏着的狮子。在弯曲的狮子头上，有颗明亮的星，即主星轩辕十四。其东南面为室女座，其中有一蓝色的一等星，叫角宿一。南面为室女座，其中有一蓝色的一等星，叫角宿一。

（2）夏季星空 夏季 出现的主要星座有：牧夫、武仙、天琴、天鹰、天鹅、天蝎、人马、室女等星座（图4）。天琴、大熊两星座分别位于子午圈的东西两侧，占有可见天空的中部、东部、西部和南部。仙后、御夫两星区一小部分可见，出现在北天的低空。偏东天空有天琴、天鹰、天鹅、天蝎和人马等星座。偏西天空有大熊、狮子、室女等星座，天顶附近有一个有5颗亮星组成的大风筝的星座，即牧夫座；风筝形尾部最亮且带浅红色的星就是大角星。7月，武仙座接近天顶，形如大蜘蛛，扑向北方。 但武仙座没有什麽亮星。离武仙座东边不远，便是天琴座，它好像一个平行四边形，其北端是织女星，是蓝色的一等星。也是夏秋季节北天空最亮的一颗星。天琴座南偏东与织女星隔一银河的那颗星，就是天鹰座а（河鼓二），俗称牛郎星。它由三颗星连成一线，中央一颗较明亮。从天琴座，武仙座传到南方是最注目的天蝎座，主星心宿二，是红色一等星，古称“大火”。在心宿二正东面黄道上，是人马座，它是银河坐标系的起始位置。辨认时，可先找银河，再找位于银河最密处的人马座。

图3　春季星空

图4　夏季星空

（3）秋季星空 秋季星空出现的主要星座有：天琴、天鹅、仙女、飞马、仙后、天鹰、天蝎、人马、南鱼等星座（图5）。仙后、天琴两星区分别位于子午圈的东西两侧，占有可见天空的中部、东部、西部、南部；御夫、大熊两星区一部分可见，出现在北方的低空。偏东的天空有仙后、仙女、飞马等星座；偏西天空有天琴、天鹅、天鹰、天蝎和人马等。天琴座和天鹅座长时间停留在天顶附近，天鹅座形如十字，其长轴的北端，唯一等星元津四。仙女座、飞马座及其所组成的大四方形的南方，有一较小的像躺下的勾一样的星座，便是南鱼座。“鱼头”有一红色的一等星，名北落师门。

图5　秋季星空

图6冬季星空

（4）冬季星空  冬季，明亮的恒星最多，主要有仙后、英仙、金牛、御夫、双子、猎户、大犬、小犬等星座（图6）。御夫、仙后两星区分别位于子午圈的东西两侧，占有可见天空 的中部、东部、西部和南部；大熊、天琴两星区一小部分可见，出现在北方的低空。偏东天空有金牛、御夫、双子、猎户、大犬、小犬等星座，亮星较多；偏西天空有仙后、仙女和飞马等星座。在仙女座的东面是英仙座，英仙座南面是金牛座，它的牛眼是一颗一等的红星，名叫毕宿五。金牛座东面的黄道上有一长方形的星座，叫双子座。其中有两颗亮星，一名北河二是淡蓝色的，一名北河三呈深黄色。南面的天空要算猎户星座组最美丽，它外形如一长方框，中央斜列着三颗光星，三星排列成一直线，形如猎人的腰带，它的肩上为红色的参宿四，膝部为蓝色参宿七，腰带三星的南面有一暗光雾点象征着猎人的剑，其实是猎户座的一团星云。由猎户的腰带三星直指东南部不远就是著名的大犬座得天狼星。天狼星、参宿四和南河三形成一个等边三角形，南河三在双子座两光星的南面。

（五）观星方法

1.利用北斗星（大熊座）观星

观星时，连接大熊星座的天璇和天枢两星，并延长到两星距离的5倍地方，有一颗二等亮星，就是北极星。利用北斗七星观星是最方便不过的事。由于它较易边人，不同季节其位置方向比较容易判断，更主要的是它与其它星座容易建立较明确的位置关系，可由此推出其他星座。

2.利用星图观星

把星空恒星的位置表示在一平面图上的图叫星图。靠近北天极和南天极的星座和恒星用圆形星图表示，中心是天极。从中心辐射出去的直线代表赤经圈，标有赤经的时数。以极为中的的圆圈是赤纬圈，每10⁰一圈，从中心的90⁰到周界50⁰。图的周边标有月份，用来对正星图方位。因地图是俯视的，星图是仰视的，故星图的东西方向与地图相反，即星图右面是西方，左面是东方，使用时，面向北方（北极星图）举起星图将图中心正对北天极，月份向上，使星图东西方向与实际相符，然后与实际星空对比观察。

靠近赤道的恒星和星座用条形格的星图表示，也有赤经圈、赤纬圈和月份标记。使用时，面向南方把图举到头顶，使图的东西方向与实际方向一致即可观察。

3.用活动星图观星

活动星图由上盘（地盘）和下盘（星盘）组成。上盘标有一天的时间刻度，下盘是按一定的纬度标出全天的主要星座，外圈有月份和日期。观察时先使上盘的时间对准下盘的日期，使图上的方向与实际方向一致，此时，在椭圆窗口即可观察到当时的星空。

4.用天球仪观星

实习一天球仪的使用已详述，这里只作简单介绍。天球仪经过高度校正、纬度校正、时间校正后，即与当时的实际天空一致。球心与桌面某星连线延长直至天空，天空上对应的星即为该星。

（六）观星注意事项

（1）       选择合适的观察点，观察点居高临下，周围没有较高的障碍物和强烈、耀眼的灯光照射。

（２）选择合适的观察时间。观察时要求“天空不明不暗”晴朗无云，天空有些月光。月光可以遮蔽暗黑，利于观察。因此，不要在满月进行，月初和月底是观星的较好时间，只好是初四至初八。

（３）留心观察黄道上的星座，区分行星和恒星。

（４）带好手电筒，便于指星，手电筒要求明亮，　三节电池以上，聚光性好。

表２观星记录