1、天文学导论全册配套精品天文学导论全册配套精品 完整课件完整课件 天文学导论天文学导论 康德：“世界上有两件东西能够深深地震撼人们 的心灵，一件是我们心中崇高的道德准则，另 一件是我们头顶上灿烂的星空”。 爱因斯坦：“宇宙中最不可理解的事情是宇宙是 可以理解的。” 教材阅读教材阅读 Chapter 1: Why Learn Astronomy? APPENDIX 1: Mathematical Tools APPENDIX 2: Physical Constants and Units APPENDIX 3: Periodic Table of the Elements 课程基本信息课程基本信息
2、 课程中文名称：天文学导论 课程英文名称：INTRODUCTION TO ASTRONOMY 课程学时数： 3学时/周 * 16周 = 48 学时 课程学分：3 张有宏的办公信息张有宏的办公信息 办公室: 天文台3层 电话: 62794780 邮箱: 助教：负责答疑、课外活动助教：负责答疑、课外活动 李文雄 办公室：天文台二层 电话：13601028643 邮箱： 张凯程 办公室：天文台二层 电话： 15201523363 邮箱： 芮黎明： 办公室：天文台二层 电话： 13120338619 邮箱： 主教材主教材 http:/books.wwnorton .com/books/21st- Ce
3、ntury-Astronomy/ 图书馆有一本纸版 电子版： 请到网络学堂的课程 文件下载 课件课件 课件较为详细，考试内容全部依据课件 课件放在网络学堂上供大家课前预习和课后复 习 所有课件仅供学习用，请勿传播！ 课程目的课程目的 利用大量天文图片，通过观测现象来理解行星、 恒星、星系的物理机制以及宇宙的整体性质。 系统介绍现代天文学知识和前沿进展，使不同 专业的学生对现代天文学有一个比较广泛且比 较深入的了解。 第第1讲：天体的视运动讲：天体的视运动 由地球的自转、公转以及地轴进动所导致的天 体的视运动规律 星座 天体的周日、周年视运动 天球坐标系 月相 日月食 北天极附近的星轨 北极星北
4、极星 第第2讲：天体的运动讲：天体的运动(天文学发展史天文学发展史) 托勒密的地心说 哥白尼的太阳中心说 第谷的杰出观测 开普勒的行星运动定律 伽利略的天文大发现 牛顿的引力理论 爱因斯坦的相对论 现代天文学（科 学）是如何建立 和发展的! 第第3讲：光与天文望远镜讲：光与天文望远镜 天文学家所获得的宇宙信息几乎都来自宇宙天 体所发射的光（辐射） 光（辐射）是电磁波：全（多）波段天文学 多信息天文学 Multi-messenger astronomy 宇宙线、中微子、引力波（即将探测到？） 各种类型的天文望远镜 第第4讲：讲： 太阳系太阳系1：八八大行星大行星 类地行星类地行星 Venus 金
5、星 Mercury 水星 Mars 火星 Earth 地球 类木行星类木行星 Jupiter 木星 Uranus 天王星 Neptune 海王星 Saturn 土星 第第5讲：太阳系讲：太阳系2：“矮行星矮行星”和小天体和小天体 Asteroids 小行星 Comets 彗彗 星星 Meteors 流星（体）流星（体） Meteorites 陨石陨石 矮行星矮行星 太阳系的形成太阳系的形成 第第6讲：系外行星（与地外生命）讲：系外行星（与地外生命） 数千系外行星已被发现 主要探测方法和重要结果 太阳系不是惟一的！ 生命是否普遍存在？ 已发现超级地球、准地球？ “地外生命存在吗？我们能够和外星人
6、联系吗？ 我们将会和外星人联系吗？” 第第7讲：太阳与恒星讲：太阳与恒星 太阳的结构 太阳的能源 太阳的活动 日地关系 恒星恒星 恒星参数的测定 视星等 距离 颜色 温度 质量 双星双星 天鹅座天鹅座 CygnusCygnus 星团星团 第第8讲：讲： 恒星的形成恒星的形成 星际介质 恒星的形成 主序恒星 第第9讲：小质量恒星的演化讲：小质量恒星的演化 白矮星 双星的演化 Ia型超新星爆发 行星状星云 第第10讲：大质量恒星的演化讲：大质量恒星的演化 超新星爆发对于我们的存在至关重要！ 中子星 黑洞（恒星级） 第第11讲：膨胀宇宙讲：膨胀宇宙 宇宙学原理 宇宙在膨胀 宇宙开始于大爆炸 宇宙微波
7、背景辐射 大爆炸核合成 第第12讲：星系讲：星系 星系的分类 银河系概观 星系中的恒星 星系由暗物质主导 类星体与活动星系 核 星系中心的超大质 量黑洞 第第13讲：当代宇宙学讲：当代宇宙学 宇宙的物质密度 加速膨胀的宇宙 与暗能量 暴胀宇宙 最早期宇宙 多重宇宙 第第14讲：宇宙的大尺度结构讲：宇宙的大尺度结构 星系团与大尺度 结构 结构的起源 第一缕星光 星系的演化 银河系的形成与 演化 像天文学家那样思考：行星像天文学家那样思考：行星 像天文学家那样思考：行星像天文学家那样思考：行星 2006，冥王星由行星到矮行星。太阳系8大行 星，什么到底是行星？ 行星原始意义：相对于背景恒星（图案）
8、改变 位置（金木水火土） 天王星（移动缓慢）：1781，赫歇尔 （小行星带）：谷神星（1801），智神星（ 1802），婚神星 （1804），灶神星（1807） 。小行星（赫歇尔）PK 行星 海王星，肉眼不可见。1864，预言后被发现 像天文学家那样思考：行星像天文学家那样思考：行星 19世纪早期，11 个行星！1（1845），3（ 1847），7（1851）。1868，美国海军天文台 用asteroids标定这些小天体,small planets (1892)，minor planets (1900), asteroids (1929) 1930, 发现冥王星，大小与重量（地球）， 第9个行
9、星。质量冥王星。第10 行星？或 冥王星应定义为不同类型的天体？ 2006年8月，布拉格，IAU，新定义矮行星：冥 王星，阋神星，谷神星，等 科学：利用识别出的规律理解世界科学：利用识别出的规律理解世界 数学是科学（规律）的语言数学是科学（规律）的语言 科学表示法 比率 几何 代数 比例 单位 课外活动课外活动 分组，组长负责制，第二周落实 课外活动内容： 1.天文台观星 2.认识星座 3.研究性学习 课外活动课外活动1：天文台观星：天文台观星 观测时间：每周五晚8-10点，具体活动方式随后通知 要求写出一个关于观星活动的书面报告，包括观测过 程和所看天体的观测描述，字数不少于200字 课外活
10、动课外活动2：认识星座：认识星座 以小组为单位，借助观星软件，到室外认识星 空 课外活动课外活动3：研究性学习：研究性学习 利用教材每章 中给出的网址 ，在教材的每一部分中，每位学生选择自己感 兴趣的一个网址，学习其中的内容，回答教材 所列出的问题 组长进行协调，组内同学所选择的网址不能重 复 对于每一部分，小组集中进行讨论与交流，每 位同学要口头汇报 教材共分为4部分，每位同学学习4个网址，每 个小组共集中讨论4次 天文学导论天文学导论课外活动要求课外活动要求 课外活动以小组为单位进行，实行组长负责制，助教 协助 课外活动要给出一个全面的书面总结，由组长主持完 成 课外活动评分：由组长负责，
11、组内所有同学参加投票 ，评分由高到底分为A、B、C三个等级，各占组内人 数的1/3 课程成绩：分数课程成绩：分数 课程总成绩以期末考试成绩为主 课外成绩作为期末考试成绩的调解 期末考试 第16周的周二晚上随堂期末考试 闭卷考试 填空题 + 选择题 + 是非题 天文学导论天文学导论 第第1 1讲讲 天体的视运动天体的视运动 本讲内容本讲内容 1.星座与星图 2.地球自转：天体的周日视运动 3.地球公转：天体的周年视运动 4.地球自转轴进动与岁差 5.月相 6.日月食 教材阅读教材阅读 Chapter 2：Patterns in the SkyMotions of Earth APPENDIX 6
12、：Observing the SkyA-16 1、星座与星图、星座与星图 1929年，国际天文联合会（IAU）正式把全天 划分为88个星座，并清楚界定每一个星座的边 界。因此每颗星属于且只能属于一个星座 星座名用来命名星星 天狼星：官方名为大犬座星 附录五：亮星表 附录六：星座 昴星团 M45 埃及，公元前1275年 中国，公元 840年 欧洲，公元1540年 星图星图 地图平放地上 星图高举过头仰望之，使星图所标方向与实际 方向一致 星座只是天上一个一个的区域，并不表示每个 星座的星星之间存在一定的内在联系，例如以 引力而被束缚的一个系统。而且星座仅代表本 天区中较亮的星 专业星图专业星图
13、昴星团 M45 2 2、 地球自转：天体的周日视地球自转：天体的周日视 运动运动 坐地日行八万里 巡天遥看一千河 天体的周日视运动天体的周日视运动 每天，太阳、月球以及星星都东升西落，是地 球自西向东自转所造成的假象，故称天体在天 空上所经历的路径称为天体的周日视运动 天似穹庐，笼盖四野天似穹庐，笼盖四野 天顶天顶 子午线子午线 南南北北 地平面（圈）地平面（圈） 东 西 头顶的星空取决于你在地球头顶的星空取决于你在地球 表面上的纬度和当地时间表面上的纬度和当地时间 天球（天球（celestial sphere） 太阳的太阳的周日视运动周日视运动 太阳每天东升西落，于当地正午通过子午线达 到最
14、高点（上中天） 地方正午：太阳到达子午线（不一定是12点） 地方子夜： 太阳连续两次到达正午的时间为24小时，称为 一个太阳日（the solar day），即我们的一 天 世界时 Universal Time (UT) 天文事件通常用世界时（UT） 或 Coordinated Universal Time (UTC) ，近似为 the local time for Greenwich （ the Greenwich Mean Time (GMT) 格林尼治平时） 世界时与本地时间的转换： 北京时间=UT+8小时 北京地方时和北京时间完全是两码事！ 北京时间正午12点（东经120度）时，北京地
15、方时（东经 116.5度）即太阳时为11点46分，所以此时北京的太阳在子 午线以东约3.5度，再过约14分钟北京“真”正午 天球 北极北极 南极南极 赤道赤道 北天极北天极 南天极南天极 天赤道天赤道 东 把天空幻想为一个大水晶球，所有天体把天空幻想为一个大水晶球，所有天体 包括太阳、月亮和星星等都镶嵌在天球包括太阳、月亮和星星等都镶嵌在天球 上，而地球则孤悬于天球的中央上，而地球则孤悬于天球的中央 天体的周日视运动天体的周日视运动 地球自西向东自转， 造成天体每天东升 西落的错觉 拱极星：靠近南北天极，永不落 北极星：最靠近北天极，似乎永远 静止不动 北极星（北天极）的高度北极星（北天极）的
16、高度 北极星（北天极）相对于地面的高度取决于观 测者所在的地理纬度，例如在北京，北极星在 正北离地面约40度高的位置 地赤道 北京： 东经116度22分 北纬39度58分 南北天极：不变的参考点南北天极：不变的参考点 南北天极的高度等于观测者所在地的地理纬度 可幸的是，在北半球，在非常靠近北天极的地 方有一颗相当亮的星，即北极星，为我们指引 方向 在北半球有些星永远不会东升：居住在北半球 的人永远看不到接近南天极的星 居住在南半球的人永远看不到接近北天极的星 可惜的是，南天极附近没有亮星，所以没有 “南极星”为南半球居民指引方向（南十字座） 天赤道不变的参考点 到天极的弧距离总是90度 所有恒
17、星沿与天赤道平行的路径由东向西运动 （圆弧轨迹） 在地球上无论何时何地： 天赤道总是与地平面精确地相交于正东正西方向 总能看到1/2天赤道 在地球两极，天赤道=地平线 天顶、地平线和子午线：本地参 考系 天顶和子午线的位置不随观测者的地平线移动 天顶总是与地平线成 90 度角 子午线由南到北平分半个天球 星星的位置相对于天顶和子午线在变： 天球在转动 观测者在地球上移动 任何通过子午线的天体都处于距离地平面的最 高位置（夜晚的星星，白天的太阳）：中天 天体的运行（圆弧）轨迹与地平面的夹角为： 90 度-观测者所在地理位置的纬度（=天赤道与地 面夹角） 在北极在北极 天顶天顶=北天极北天极 NC
18、P 地平线圈地平线圈= =天赤道天赤道 地地( (天天) )轴轴 所有星星沿与地平面平行 的圆轨迹运行，从不下落 头顶北极星 在北京在北京! (40N) 90度-纬度 = 纬度 在北京：向东看在北京：向东看 天体从东偏北方向升起 90度-纬度南 在北京：向西看在北京：向西看 天体向西偏北方向落下 北90-纬度 在北京向：北看在北京向：北看 可见北极星和拱极星 北天极北天极 东东 北极星 北极星（北天极）高度随地理纬度降低而 降低。星星环绕北天极转圆圈 北半球可见的恒星视运动北半球可见的恒星视运动 北天极附近星星视运动轨迹 在地球赤道上在地球赤道上 所有星在地平面 上12小时 所有星垂直于地 平
19、面升起和下落 “可见所有星” 3、地球公转：天体的周年视运、地球公转：天体的周年视运 动动 斗转星移斗转星移 每晚同一时刻，看到的星空连续变化 When the Earth is Here these stars are overhead at midnight When the Earth is Here these stars are overhead at midnight 黄道（ecliptic）、黄道十二宫 （Zodiac） 每（白）天同一 时刻，太阳相对 于背景恒星的位 置向东移动 直观现象 在天球上，恒星的位置及其相对位置（星座 图样）是“固定不变的” 整个天球包括太阳一天转动一
20、圈，但通过仔 细观察你会发现这个规律并不完全正确 1. 每昼同一时刻，太阳位置缓慢改变 2. 每晚同一时刻， 星星位置（通过子午线） 在缓慢变化 3. 每昼同一时刻，太阳位置相对于星星向东 缓慢移动 黄道：太阳的周年视运动黄道：太阳的周年视运动 地球的公转造成太阳在天球上的位置自西向东 缓慢移动（滞后于恒星）再回到原处（相对于 背景星）的周期为一年（365.24天） 共走了 360 度 太阳每天向东移动大约1度 2个太阳视直径 恒星日与太阳日 Sidereal and Solar Day 太阳日=24小时：太阳连续两次到达子午线的 时间 恒星日23小时56分：恒星连续两次到达子午 线的时间 一
21、个恒星日比一个太阳日短约4分钟 结论：相对于太阳日：恒星每天升起、上中天和 下落的时间都提前约4分钟 恒星日是地球真实的自转周期，不随其绕太阳 公转而变化，为23小时56分 恒星日与太阳日的图示解释 天体的周年视运动（轨迹？）天体的周年视运动（轨迹？） 星星回归原处的周期为一年 一个特定星星一个月后升起的时间将提前约2 个小时： 30 d 4 分钟/天 = 120 分 = 2 小时 一年后这颗恒星将在同一时刻升起： 2 小时 x 12 月/年 = 24 小时 四季更替四季更替 太阳辐射能力（） 日地距离（） 阳光入射角（） 错误解释：日地距离的变化错误解释：日地距离的变化 地球公转轨道近似为圆
22、轨道，日地距离的微小 变化改变不了地球的温度 南北半球季节应相同 Elliptical orbit Far from the Sun, the planet experiences winter Close to the Sun, the planet experiences summer Not! 地球自转轴不垂直黄道面地球自转轴不垂直黄道面 地球的自转轴与其公转轨道面（黄道面）不垂 直，成 23.5 度夹角 如果地球自转轴和公转轴平行，就不会有季节! 太阳永远位于天赤道上（与黄道重合） Right Angle 季节更替标志：春、秋分，夏、 冬至 天赤道与黄道面的 夹角为23.5度 相交的两
23、点分别称 为春分点和秋分点 在黄道上距春分点 和秋分点最远处则 称为夏至点和冬至 点 在地球绕日运动中 太阳东升和西落的 方位角不断变化 并造成一年一度四 季的更迭 地球气候的改变滞 后于地球吸收太阳 热量的改变 4、地球自转轴的进动与岁差、地球自转轴的进动与岁差 地球自转轴进动周期26,000年 北天极的位置以北黄极为中心画一大圆 北极星是轮换的北极星是轮换的 天赤道移动：岁差天赤道移动：岁差 （黄道固定 +）天赤道移动 春（秋）分点 缓慢向西移动，每26,000年沿天赤道巡回一圈 岁差：每年的二分点提前来临（季节移动？） 东 太太 阳阳 5、月球运动与月相、月球运动与月相 月球总是同一面对
24、着地球 同步自转：月球的自转周期=月球的公转周期 月亮的会合周期 (synodic period) ： 新（满）月 到新（满）月， 29.53 天 月相 the changing phases of the Moon 月相：地球人所看到的月球被太阳所照亮的一 半的大小 月相与月亮位置（升起、经过子午线、下落的 时间） 天球上，月球相对于背景恒星的视运天球上，月球相对于背景恒星的视运 动动 新月 非新月! 再次新月 月球的恒星周期(sidereal period) 月球相对于背景恒星也向东漂移，但月亮的漂 移非常快，一天大约13度 月球回到原处（相对于恒星）的周期约为 27.32 天，即月球的恒
25、星周期 月球绕地球的公转周期: 会合周期 29.53 天？ 恒星周期 27.23天？ 6、（日月）食：通过阴影、（日月）食：通过阴影 日食：地球通过月球的阴影日食：地球通过月球的阴影 日全食（total solar eclipse） 日偏食（partial solar eclipse） 日环食（annular solar eclipse） 本影本影 半影半影 日全食日全食 月球和太阳的视大小几乎相同 日全食奇景：钻石环日全食奇景：钻石环 接 近 日 全 食 的 時 候 ， 由 於 月 球 的 邊 緣 丁 點 的 凹 凸 不 平 ， 部 分 太 陽 光 線 會 在 凹 位 漏 了 出 來 ， 形
26、 成 不 連 續 的 光 點 。 在 日 全 食 前 的 一 刻 我 們 只 能 見 到 太 陽 的 極 小 部 分 如 下 圖 所 示 這 個 現 象 稱 為 鑽鑽 石石 環環 （贝利珠） 日 全 食 時 ， 天 昏 地 暗 ， 宛 如 暮 色 朧 合 四 野 ， 天 上 你 可 看 見 亮 星 和 行 星 ， 太 陽 表 面 由 於 被 月 球 完 全 掩 蓋 ， 原 本 非 常 暗 淡 的 日日 冕冕 這 時 清 晰 可 見 。 一 般 來 說 ， 日 全 食 過 程 約 維 持 兩 分 鐘 左 右 ， 接 著 鑽 石 環 復 現 ， 日 全 食 結 束 日全食奇景日全食奇景 Coron
27、a 日冕 Prominences 日珥 日偏食日偏食 日环食日环食 月球轨道并非正圆有时日全食，有时日环食 日环食日环食 【由于潮汐摩擦作用，月球正渐渐远离地球， 数万年后，月球的视直径会变得很小，届时地 球上便再也不能看到日全食了，只能看到日环 食】 日全（环）食全过程日全（环）食全过程 日全食时长永远不大于日全食时长永远不大于7.5分钟分钟 ！ 全球日食概率 1/3 日全食 1/3 日偏食 1/3 日环食 同一地点，日偏食概率 日全食概率 月球半影直径约7000千米 月球本影宽度约270千米 月球公转速度约3400千米/小时 地球（赤道）自转速度1670千米/小时 地球弯曲表面 西 “近期
28、近期”中国日全食中国日全食 20082008年年8 8月月1 1日（西北地区）日（西北地区） 20092009年年7 7月月2222日（长江流域）日（长江流域） 20102010年年1 1月月1515日日 日环食日环食 20352035年年9 9月月2 2日（北京）日（北京） 月食（月食（Lunar eclipse）：月球通过地球的阴）：月球通过地球的阴 影影 月全食（total lunar eclipse）:完全进入本影 月偏食（penumbral lunar eclipse）:部分进入 本影 月全食全过程月全食全过程 红月亮曝光时间长 白点为背景星 月全食时月亮变为黄铜色或血红色，这是由于
29、 地球大气中的尘埃颗粒折射阳光中的红光并到 达月球所致 地球本影直径大于2.5倍月球直径 月全食可持续大约1小时40分 食大约每食大约每11个月发生个月发生2次次 交点线 月球轨道面摆动：每年19.4度，使得食季 (eclipse season)每5个月20天出现一次 天文学导论天文学导论 第第2 2讲讲 天体的运动天体的运动 （天文学发展史）（天文学发展史） 本讲内容本讲内容 古希腊的地球中心说 现代天文学的诞生 哥白尼、第谷、开普勒和伽利略 牛顿的万有引力定律 爱因斯坦的相对论 （后记：中国古代天文学简介） 教材学习教材学习 Chapter 3 (Motion of Astronomica
30、l Bodies) 3.1 - 3.6 Chapter 4 (Gravity and Orbits) 4.1 - 4.2 Chapter 18 (Relativity and Black Holes) 18.1 - 18.3 1、古希腊的地球中心说、古希腊的地球中心说 古希腊学者首先采用观测（例如东升西落）和 模型（地心说）相结合的科学研究方法来解释 并预言宇宙的运动规律 毕达哥拉斯毕达哥拉斯亚里斯多德亚里斯多德 托勒密托勒密 地心说的基本模型 行星的逆行难题行星的逆行难题 相对于背景恒星，行 星为什么是“流浪 汉”？（需数月观测） 1. 顺行：向东 2. 逆行：向西 3. 逆行时行星变亮 地
31、心说的基本模型不能解释行星的 逆行和亮度变化 火星视逆行（火星视逆行（ 2009-2010 ） 托勒密：本轮 Epicycles 行星不是固定在同 心球层（均轮）上， 而是固定在本轮上， 但是本轮固定在同 心球层上 本轮中心和本轮 （即行星）均沿同 一方向作匀速圆周 运动 本轮本轮 均轮均轮 水星、金星的本轮中心和地球及太阳的中心永 远连成一条直线 水星、金星与太阳几乎同 升同落 本轮本轮 托勒密托勒密 西方思想停滞的中世纪 托勒密于公元150年在长达13卷名为 Almagest (The Greatest天文学大成/ 至大论）的巨著中发表了他的地球中心说 这个理论所预测的行星位置和实际位置的
32、误差 在数度之内，因此主宰西方世界约1500年之 久！ 菲洛劳（Philolaus）：“中心火学说” Samos 萨摩斯岛的Aristarchus (亚利斯塔克， 310-230 BC）：太阳中心说 无观测证据或数学模型能否定地心说 “星星之火，没有燎原” 2。现代天文学的诞生。现代天文学的诞生 哥白尼：太阳中心说（首次揭示真实，革命） 第谷：杰出的天文观测（ ？） 开普勒：行星运动三定律（经验规律） 伽利略：现代天文学（科学）的诞生（理论） Copernicuss heliocentric universe 哥白尼的太阳中心学说 Nicolai Copernicus 1473-1543 Po
33、land 对行星逆行的解释 逆行：小轨道行星（地球）比大轨道行星（火 星）绕日公转得更快：地球“追上”火星 亮度变化：行星到地球的距离在变化 哥白尼革命 托勒密宇宙论的3个主要错误观点： 1、中心； 2、运动； 3、物质 哥白尼挑战了1，但没有挑战2，且隐含了3 托勒密体系是教堂根深蒂固的教条 +日心说预 测行星运动的“准确性”和地心说不相上下 日心说不被接受 Uraniburg 第谷第谷布拉赫的杰出观测布拉赫的杰出观测 天文堡，望远镜之前，最好 的天文仪器和最精确的观测 Tycho Brahe (1546-1601 ) 第谷的主要天文贡献 对行星（特别是火星）的观测为开普勒建立正 确的太阳系
34、模型提供了至关重要的数据 1572发现一颗超新星，现为第谷超新星（遗迹） 开普勒 Johannes Kepler (1571-1630) 行星运动定律（理论直觉） 1600年，成为第谷的助手 1605年，发现行星运动定律 （1609发表） 光学，开普勒式望远镜 开普勒第一定律：轨道形状开普勒第一定律：轨道形状 行星以椭圆轨道环绕太阳运行，太阳位于椭圆 的一个焦点上 近日点远日点 (太阳系太阳系) 行星轨道近似圆轨道行星轨道近似圆轨道 开普勒第二定律：行星速度开普勒第二定律：行星速度 行星和太阳的（假想）连线在相同的时间内扫 过相等的面积 行星越接近太阳则运行速度 越快 地球轨道速度： 平均：2
35、9.8 km/s 近日点：30.3 km/s 远日点：29.3 km/s 开普勒第三定律：轨道周期开普勒第三定律：轨道周期 行星公转周期的平方和其到太阳的平均距离 （半长轴）的立方成正比 (公转周期)2 = (常数) x (半长轴)3 “世界是和谐的世界是和谐的” 土星土星 木星木星 火星火星 地球地球 金星金星 水星水星 开普勒猜测（理论直觉）：太阳对行星的磁吸引 伽利略：望远镜与运动学定律 Galileo Galilei (1564-1642) 意大利天文学家与（实验）物理学家 提供了证明哥白尼学说至关重要的天文观 测 奠定了正确理解物体在地球表面运动的动 力学和引力的基础 关于托勒密和哥
36、白尼两大世界体系的对话星空使者 望远镜不是伽利略发明的，荷兰商人发明了 望远镜 伽利略是“第一个”(1609年)使用望远镜观 测天空的人，首次利用仪器增强人类的天文 观测能力 伽利略与望远镜 伽利略的主要天文发现伽利略的主要天文发现 月球表面不光滑， 有陨坑(命名环形 山) 太阳黑子，且运动 太阳自转 银河：大量恒星 绕木星旋转的4颗 卫星（伽利略卫 星），首次发现天 上有不绕地球转动 的天体！ 金星越亮，看起来越小（远）金星越亮，看起来越小（远） 证明哥白尼太阳中心说是正确的 “毕竟地球还在转动” 伽利略的天文与运动学发现挑战了罗马教皇的 权威。被宗教裁判所定罪为“异端邪说”，被 终身监禁（
37、10年） 3。牛顿的引力理论 Sir Isaac Newton (1642-1727) 最伟大的科学家之一，25岁前 完成主要科学贡献 微积分：用数学描述物理 运动学三定律 万有引力定律 光的微粒理论 制造第一个反射式光学望远镜 自然哲学的数学原理 剑桥大学的 三一学院 牛顿运动学三定律牛顿运动学三定律 1. 惯性定律 2. F = ma 3. 作用力与反作用力 牛顿运动学第一定律牛顿运动学第一定律 (惯性定律惯性定律 ) 牛顿运动学第二定律牛顿运动学第二定律 F = ma 牛顿运动学第三定律牛顿运动学第三定律 万有引力定律：理解宇宙的关键万有引力定律：理解宇宙的关键 牛顿对月球环绕地球轨道运
38、动的思考牛顿对月球环绕地球轨道运动的思考 轨道：一个物体环绕另一个物体自由轨道：一个物体环绕另一个物体自由 下落下落 宇航员宇航员“失重失重”，但没有逃离地球的，但没有逃离地球的 引力引力 4。爱因斯坦的相对论。爱因斯坦的相对论 牛顿运动学定律的适用范围： 低速（速度远小于光速） 牛顿万有引力定律适用于弱 引力场，例如太阳系（水星 除外） 高速和强引力场高速和强引力场 高速（v0.1c）情况下会发生什么新现象？ 强引力场的时空性质如何？ 爱因斯坦(Albert Einstein 1879-1955)对空间和 时间中的运动和引力做出了新的诠释： 狭义相对论 Special Relativity
39、(1905) 广义相对论 General Relativity (1915) 狭义相对论 所有运动都是相对于一个选定的参考系的，这 正是爱因斯坦相对论中“相对” 的真正含义 长度、时间和质量是相对的，依赖观测者相对 于所选定的参考系的运动 狭义相对论狭义相对论 四维时空 Four-dimensional spacetime 时间和空间是相对于观测者的运动的，且不互 相独立 时间和空间在一起构成四维时空（三维空间和 一维时间） 牛顿的绝对时空 狭义相对论效应 对于以相对论速度做匀速直线运动的物体， 一个静止的观测者将会发现【在运动方向上】 该物体的： 1. 长度收缩 (length contra
40、ction) 尺子变短 2. 时间膨胀 (time dilation) 时钟变缓 3. 惯性（质量）增加 光速不变光速不变 光速是最快速度光速是最快速度 宇宙射线宇宙射线 cosmic rays 宇宙射线（极高能高速粒子，多为质子）在 通过地球大气外层时产生大量做相对论速度运 动( 0.995c)的介子 介子衰变周期=2.2*10-6 s ，最多穿行600 米。但它们却在穿越15千米后到达地球表面 这是因为它们相对于我们的运动速度接近光速， 因此它们内部的时钟（相对于静止的我们）比 静止介子的时钟慢得多 但是在快速运动介子的参考系中，其时钟运 转正常， 其寿命仍为2.2*10-6 s（相对论运
41、 动大气层厚度缩短） 宇宙射线宇宙射线 cosmic rays 物质物质 = 能量能量 爱因斯坦质能方程： 能量能量 = 质量质量 (光速光速)2 E = mc2 静止能量；静止质量m 广义相对论广义相对论 General Relativity (GR) 质量弯曲时空的理论 质量：引力(牛顿)= 时空弯曲(GR) 弯曲时空中，光不走直线 惯性质量惯性质量=引力质量引力质量 F = ma 2 r GMm F m ：低抗运动改变(加速度， 惯性）的大小的量度 m：所感受到的吸引力的大小 的量度 伽利略发现：所有物体都以相同加速度下落的 推论 引力(加速度)等效于加速度 自由下落 = 自由漂浮 失重
42、：没有实验能区分这两种情况 惯性参考系惯性参考系 引力（加速度）= 等效的匀加速度 静止在地 球表面 g= 9.8 m/s2 无引力场 中向上加 速度 a = g = 9.8 m/s2 两个电梯内（非惯性参考系）的实验结果相同： 小球下落的加速度都是 9.8 m/s2 ，不能区分 等效原理等效原理 Equivalence Principle “在一个封闭的小空间短时间内没有实验 能区分引力场和等效的匀加速度” 自由下落 = 自由漂浮 广义相对论的基石 光线弯曲 Light Bending 等效原理 光线在强引力场中要弯曲 三种情况 下，电梯 外的观测 者均看到 光沿水平 方向运动！ 引力是时空
43、的弯曲 因为光走“自然路径（测地线）”，所以光线 弯曲 时空是弯曲的 加速度导致光线弯曲 加速度导致时空弯曲 等效原理： 加速度 = 引力 爱因斯坦假设：所谓的引力其实就是时空弯曲 的结果！ 质量扭曲其附近的时空结构质量扭曲其附近的时空结构 质量越大，时空弯曲越显著质量越大，时空弯曲越显著 GR观测证据：非欧几何观测证据：非欧几何 地球绕太阳公转轨道的周长 2* 地球到太 阳中心的距离 （10千米） GR观测证据：水星轨道进动观测证据：水星轨道进动 GR观测证据观测证据: 引力透镜引力透镜 gravitational lensing 引力透镜: 行星、恒星、星系、星系团、暗 物质 有可能看到背
44、景类星体的 多个相同的像 爱因斯坦十字 透镜 星系 GR观测证据：时钟不再同步观测证据：时钟不再同步 靠近大质量天体的时钟变慢 1960年：5楼的时钟比地下室的时钟稍快 2010年：最先进的原子钟，一只置于地面，另 一只放在“海拔”33厘米处（引力比地面引力 小了两千万分之一）。测量结果表明，高处的 原子钟比地面上的每世纪快一千亿分之一秒。 引力红移引力红移 gravitational redshift 引力红移引力红移 gravitational redshift GR的其它应用与预言的其它应用与预言 GPS 引力波 gravitational waves （后记：中国古代天文学）（后记：中
45、国古代天文学） 星座（星宿、星宫） 赤道坐标系 太阳黑子：公元前140年，欧洲（807年） 日食：约4000年前，650次（春秋战国-元末 1368年） 彗星、流星和陨石 新星和超新星 “夏商周断代工程”与古代天文研究 古代天文仪器 张衡、祖冲之、一行、沈括、郭守敬等 扩展阅读扩展阅读 天文学简史（牛津通识读本）霍斯金(Michael Hoskin)著、陈道汉译，译林出版社，(2010-06出版) 天文学简史 G.伏古勒尔 著，罗玉君、李珩 译 ， 中国人民大学出版社 (2010-04出版) 剑桥插图天文学史霍斯金主编，江晓原等译，山 东画报出版社，2003年3月出版 科学世界2010年第9/
46、10期，时空幻象深入浅 出介绍相对论的时空观 科学世界2012年第2期：光速不变 天文学导论天文学导论 第第3讲讲 辐射与天文望远镜辐射与天文望远镜 本讲内容本讲内容 1. 电磁（波）辐射 2. 黑体辐射 3. 原子与谱线 4. 多普勒效应 5. 光学天文望远镜 6. 全波段望远镜 教材学习教材学习 Chapter 5: Light Chapter 6: The Tools of the Astronomer 1。电磁波（辐射）。电磁波（辐射） 有关宇宙信息的绝大多部分都来源于天体发出 (恒星）或反射（月球）的电磁辐射 宇宙线，中微子，引力波（？） 辐射是宇宙中最令人惊异的东西物质的温度、 运
47、动、化学成分、密度和结构等宇宙信息！ 要研究宇宙，首先要正确理解辐射的基本特征 以及用来探测辐射的设备天文望远镜 光是什么（现象）？光是什么（现象）？ 牛顿让一束太阳光（白光）通过棱镜后看到类 似于彩虹（光谱）的色散现象：光是各色光的 混合 光谱 spectrum：光强作为颜色（波长）的函 数 定量分析 色散色散 dispersion 光是什么（物理）？光是什么（物理）？ 麦克斯韦(Maxwell： 1831-1879)：如果变化 的磁场产生电场，那么变化的电场（振荡电荷） 产生磁场变化的电场和变化的磁场互相触发， 且以光速自行向前传播，即电磁波或电磁辐射 (electromagnetic w
48、aves or radiation） 电磁波是自行以光速(真 空)传播的振荡电场和振 荡磁场，其振荡方向互 相垂直，并都垂直于传 播方向 波长、频率、光速、振幅波长、频率、光速、振幅 可见光可见光 Optical (visible) light: 波长波长- 颜色颜色 麦克斯韦说：（可见）光其实就是一种电磁波。 不同颜色的光对应于不同波长的电磁波 可见光（4000-7000 ）的典型波长单位： 1 （埃）= 0.1 nm （纳米） =10-10 m =10-8 cm 红 6500 黄 5500 绿 5000 蓝 4500 电磁波谱电磁波谱 electromagnetic spectrum 电磁
49、波的波长范围很广：10-12 米光年 伽马射线： = 0.1 X射线： 0.1-100 紫外线 (UV)： 100 - 4000 可见光： 4000 7000 红外线 (IR)： 7000 - 1 mm 射电波: 1 mm 10 km 更长 没有定性的差别：均由相同的麦克斯韦方程组描述 只有定量的差别：波长、频率、颜色、能量 探测技 术很不同 人眼仅能感知极小波长范围(4000-7000)的电磁波! 电磁辐射的传播 电磁波可在真空中传播 所有电磁辐射在真空中的传播速度相同，即光 速，与和无关 传播速度在玻璃、水等介质中降低 光速不变：测量光速与测量者和光源之间的相 对速度无关 电磁辐射的波粒二象性 光子photon 光的粒子性 光子无质量，但有能量。光子能量越高，则 频率越高，波长越短： 相同波长（颜色）的光子的集合就构成特 定波长的电磁波 )( /chchE （光）强度（光）强度 2。黑体辐射。黑体辐射 只要温度高于绝对零度，物体便会放射出不同 频率的电磁波 物件加热：低温红外线，温度升高红光黄 光白光蓝光 黑体黑体(普朗克普朗克)谱谱 blackbody (Planck) spectrum 黑体：因为温度 而辐射；辐射= 吸收 黑体谱的形状只 与物体(恒星)的 表面温度有关 热辐射谱 thermal spectrum：仅由 温度决定 维恩位移定律 Wiens Law 温度降低
