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第四章 行星的运动


第四章 行星的运动 一、行星的视运动及其解释 1 内行星的视运动及其解释 相对于地球轨道,轨道半径小的水星和金星称为“(地)内行星” 轨道半径大的火星、木星、土星、天王星和海王星称为“(地)外行星” 内行星常在黎明前出现于东方(“晨星”),或在黄昏后出现于西方(“昏星”) 内行星与太阳的角距离总是在一定范围内变化 行星相对于恒星背景的移动,其路径在黄道附近 2 内行星视运动分类 由于内行星和地球在各自轨道上绕太阳公转,内行星的公转速度比地球的快,且它们的轨道面有一定的夹角,因此,从地球上观测到内行 星相对于恒星的视运动呈现出(上合前后)向东“顺行”、(下合前后)向西“逆行”,以及顺逆转折时的“留”,视运动路径呈折圈形状。 顺行:自西向东运行,与地球公转方向相同,顺行时间长 逆行:自东向西运行,与地球公转方向相反,逆行时间短 留:由顺行转逆行或由逆行转顺行的转折点 3 内行星视运动的特殊点 合:当行星与太阳的黄经相等时称为“合”,行星在太阳前方称为下合,太阳在行星前方称为上合 大距:当行星与太阳角距达到最大时称为“大距”,在太阳之东称为“东大距”,在太阳之西称为“西大距” 内行星视运动的运行周期:上合(1)——(顺行)——东大距——(顺行)——留——(逆行)——下合——(逆行)——留——(顺行)——西大距 ——(顺行)——上合(2) 4 凌日 在下合时,若内行星又恰好过黄道面,地球上的观测者可以看到它从太阳圆面前经过,日面上出现一个移动的小黑点,这一现象称为“凌 日” 内行星凌日发生的必要条件:内行星和地球都位于轨道交点附近 怎样安全地观察凌日现象? 不能在没有保护措施的情况下通过普通望远镜和天文望远镜观看太阳 接物镜滤片:将一块高质量的滤片放在普通望远镜或天文望远镜的物镜上。 白屏投影:距离望远镜或天文望远镜一定距离放置一块白色屏幕,让光线照在白屏上 5 外行星的视运动及其解释 外行星的轨道大于地球轨道, 其视运动除了有顺行、 逆行、 留和折圈路径等跟内行星视运动相似特征外, 还有一些自己的特征:只有 “上合” , 没有“下合”;与太阳的角距没有“大距”限制;没有“凌日);没有明显的相位变化 冲日:外行星与太阳的地心黄经相差180°时,称为“冲日”或“冲” 大冲:由于行星轨道都是椭圆,因此每次冲时,外行星与地球的距离都不相同,距离最小的冲称为“大冲” 方照:外行星与太阳的地心黄经相差90°时,称为“方照”。 行星在太阳之东称为“东方照”,行星中午升起,日落时位于中天附近,上半夜可见于西方天空 行星在太阳之西为“西方照”,行星子夜升起,日出时位于中天附近,下半夜可见于东方天空 外行星视运动的运行周期:合(1)——(顺行)——东方照——(顺行)——留——(逆行)——冲——(逆行)——留——(顺行)——西方照 ——(顺行)——合(2) 6 行星的会合周期 地球上观测到的行星运动实际上是行星公转和地球公转的复合运动,常称为“会合运动”。地球上观测到行星的连续两次上合或冲的时间 间隔,称为“会合周期” 会合周期等不等行星的公转周期? 不等于。公转周期应该为相对于遥远恒星背景来计量公转一圈的时间间隔——“恒星周期” 思考 地内行星和地外行星的视运动有哪些不同之处? 二、行星的轨道根数和星历表 1 轨道根数 长半轴a: 轨道椭圆长轴的一半,表示轨道大小 偏心率e : 对于椭圆轨道0<e<1,表示轨道形状 轨道倾角i: 行星轨道面与黄道面之间夹角称为轨道倾角;i<90 °表示行星与轨道运动同向,有些小行星合彗星的轨道与地球轨道反向,则 90 ° <i<180° 升交点黄经 Ω:一般说来,行星轨道与黄道面有两个交点: 当行星从黄道面以南穿过黄道面进入北的交点称为升交点;反之,称为降交点。 从“太阳-春分点”方向到“太阳-行星”轨道升交点方向的夹角称为升交点黄经。轨道倾角和升交点黄经确定了轨道面在空间中的位置 近日点角距 ω:从北黄极向下看,从升交点矢径起算逆时针旋转至近日点矢径所经过的角度称为近日点角距。它确定了行星轨道椭圆长轴 在空间中的指向。有时用近日点黄经来代替近日点角距来表示第5个要素 行星过近日点的时刻 t0:行星通过近日点时的时刻称为行星过近日点时刻 2 星历表 从天体的实际观测资料来推算其轨道根数的过程称为“轨道计算” 二体问题的轨道根数有6个,而每次观测得到的一般是地心赤经和地心赤纬两个坐标值,因此,原理上至少需要三次观测 如果已知某一天体的轨道根数,就可以计算它在不同时刻的位置,若把这些位置按表的形式编制出来,就称为“星历表” 思考 对于二体问题,确定行星轨道的形状、大小和空间位置需要哪些要素? 对于二体问题,确定行星轨道的形状、大小和空间位置需要哪些要素?

长半轴,偏心率,轨道倾角,升交点黄经,近日点角距, 长半轴,偏心率,轨道倾角,升交点黄经,近日点角距,行星过近日点的时刻 三、行星和卫星的轨道特征 1 行星的轨道特征 (1)共面性 行星的轨道面与黄道面的夹角都不大,除了冥王星(~17°)和水星(~7°),其他都小于3.5°,大部分是0°~2 ° 如果采用“不变平面”(垂直于太阳系总角动量矢量的平面)代替黄道面作基准,行星轨道面对不变平面的倾角则更小 行星的轨道面大致在共同的不变平面附近,这一特征称为“共面性” 太阳系行星轨道 (2)近圆性:除冥王星和水星的偏心率e较大(~0.2)外,其他行星的e都小于0.1,非常接近正圆 (3)同向性:沿轨道运动的方向都与太阳自转方向一致 2 卫星的轨道特征 按轨道特征分类: 规则卫星:与行星轨道特征类似,倾角和偏心率小,也有共面性,近圆性,同向性和类似的提丢斯-波得定则 不规则卫星:轨道倾角大、逆向(与行星自转方向相反)绕行星转动,或者偏心率大 四、行星和卫星的自转 天体普遍存在自转 行星的自转情况可以通过观测它们表面特征的运动、光谱线及雷达回波的多普勒频移等资料来推算 行星的自转特性常用两个参量来表征:自转周期和行星赤道面对其轨道面的倾角 1、行星的自转周期 由于地球在公转和自转,地面观测到的是行星的视运动,不是行星本身的真实自转,需要进行改正 行星的自转周期一般是指自转的恒星周期,即以天球上春分点为基准来度量行星自转一圈的时间间隔 2、卫星的自转 大部分已知自转的卫星都是同步自转,月球,木卫一~五…。少数不是同步自转,土卫六,土卫九,木卫七 五、行星概况 1、行星定义: 太阳系行星和其他天体分为三类: 行星;矮行星;太阳系小天体 2、行星分类 根据地球轨道划分: (地)内行星:水星、金星 (地)外行星:火星、木星、土星、天王星、海王星 (冥王星) 以小行星带划分: 带内行星:水星、金星、地球、火星 带外行星:木星、土星、天王星、海王星 (冥王星) 以物理性质划分: 类地行星:水星、金星、地球、火星(质量小、体积小、平均密度大) 类木行星:木星、土星、天王星、海王星(质量大、体积大、平均密度小) 近年来的一种划分方法: 类地行星:水星、金星、地球、火星。主要有固态岩石物质组成 巨行星:木星、土星。主要由氢、氦气体组成 远日行星:天王星、海王星 (冥王星)。含大量冰物质(水冰、氨冰、甲烷冰) 金星:太阳从西边升起的地方 水星:离太阳最近的大行星 火星:与地球最相似的行星 木星:体积和质量最大的行星 美丽的光环——土星 练习: 1、 确定行星轨道需要哪六个参数? 半长径、偏心率、轨道倾角、升交点黄经、近日点角距、 半长径、偏心率、轨道倾角、升交点黄经、近日点角距、过近日点时刻 2、 行星轨道具有哪些特征? 共面性、近圆性、同向性、提丢斯- 共面性、近圆性、同向性、提丢斯-波得定则 3、太阳系中体积最大的行星是( ),平均密度最大的行星是( ),被我国民间称为“启明星”的行星是( 木星、地球、 木星、地球、金星

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