1、地球科学概论本科全册地球科学概论本科全册配套完整教学课件配套完整教学课件1 1地球科学概论（1414讲）引 论2地球科学概论科学：基于观测、推理得出合理结论的系统研究科学：基于观测、推理得出合理结论的系统研究地球科学：研究地球的科学地球科学：研究地球的科学分支：地球物理，地球化学，地球生物学，地球海洋分支：地球物理，地球化学，地球生物学，地球海洋学，学，地球科学地球科学概论概论：地球科学的概要论述：地球科学的概要论述【不深入理论细节不深入理论细节】讲授方式：上天、入地，人在其中；采用科学的逻辑分讲授方式：上天、入地，人在其中；采用科学的逻辑分析，理性的推理，获得自然的认知；随着历史的进程，层层
2、析，理性的推理，获得自然的认知；随着历史的进程，层层剖析剖析讲授主题：与人类密切相关的地球科学分支部分，且偏讲授主题：与人类密切相关的地球科学分支部分，且偏重于地球物理部分重于地球物理部分 目的目的：学有所思，学有所获，启迪思维，激励兴趣学有所思，学有所获，启迪思维，激励兴趣3地球科学概论最后成绩：最后成绩：平时成绩平时成绩1 1（第一次（第一次平时测验平时测验 10%10%）+ +平时成绩平时成绩2 2（第二次（第二次平时测验平时测验 10%10%）+ +平时成绩平时成绩3 3（学生（学生PPTPPT演讲演讲 20%20%）+ + 期末考试（期末考试（60%60%）课程安排：课程安排：141
3、4次讲课（次讲课（28 28 学时），学生学时），学生3 3次次 PPTPPT演讲（演讲（6 6学时）；学时）； 总复习总复习1 1次（次（2 2学时）学时）后续课程：地球物理学原理后续课程：地球物理学原理引 论从哪里开始？从哪里开始？1 1 人和生命何以出现？人和生命何以出现？2 2 生存环境如何？生存环境如何？3 3 地球有什么主要特性？地球有什么主要特性？为什么？为什么？4 4 地球如何演化？地球如何演化？5 5 太阳系起源？太阳系起源？6 6 宇宙起源？宇宙起源？引论（续）从宇宙的起源开始，历经太阳系起源，行星地从宇宙的起源开始，历经太阳系起源，行星地月系形成，地球演化，到形成具有自转
4、的地球为月系形成，地球演化，到形成具有自转的地球为止止 【4 4讲讲】地球运动，各种地球物理场；生命现象地球运动，各种地球物理场；生命现象 【6 6讲讲】从地球表面开始，深入地球内部；经过各种动从地球表面开始，深入地球内部；经过各种动力过程，构成复杂的地球动力学系统力过程，构成复杂的地球动力学系统【4 4讲讲】 要求与期待要求与期待：1 1 掌握每讲精髓；掌握每讲精髓；2 2 学会思考问题；学会思考问题；3 3 萌生研究兴趣萌生研究兴趣引论（续）（起源论）：（起源论）：4 4 讲讲第第 1 1 讲讲 宇宙及太阳系起源（宇宙及太阳系起源（2 2学时）学时）【引言，宇宙，引言，宇宙，银河系，太阳系
5、银河系，太阳系】第第 2 2 讲讲 行星及地月系行星及地月系 （2 2学时）学时）【引言，行星，地月引言，行星，地月系系, , 洛奇极限洛奇极限】 第第 3 3 讲讲 地球的演化地球的演化 （2 2学时）学时）【引言，元素形成，圈引言，元素形成，圈层结构，年龄，层结构，年龄，? ?】第第 4 4 讲讲 地球形状及自转地球形状及自转 （2 2学时）学时）【引言，地球形状引言，地球形状及大小，地球自转及测定，极移等及大小，地球自转及测定，极移等】引论（续）（地球物理场及生命）：（地球物理场及生命）：6 6 讲讲第第 5 5 讲讲 地球重力地球重力 （2 2学时）学时）【引言，密度，万有引力，重引言
6、，密度，万有引力，重力测定，现代方法力测定，现代方法】第第 6 6 讲讲 地地 热热 （2 2学时）学时）【引言，热流测定，热源，地热史引言，热流测定，热源，地热史 】第第 7 7 讲讲 地地 磁磁 （2 2学时）学时）【引言，磁场成因，地磁倒转，西向漂移，引言，磁场成因，地磁倒转，西向漂移，球谐分析，测定球谐分析，测定 】第第 8 8 讲讲 大气圈大气圈 （2 2学时）学时）【引言，组成，热状态，运动，水分，天气，引言，组成，热状态，运动，水分，天气，气候等气候等 】第第 9 9 讲讲 水水 圈圈 （2 2学时）学时）【引言，江河湖泊，陆地水，海洋，水循环引言，江河湖泊，陆地水，海洋，水循环
7、】第第1010讲讲 生物圈生物圈 （2 2学时）学时）【引言，生命起源，生物与环境，生物群引言，生命起源，生物与环境，生物群落，生态系统落，生态系统 】引论（续）（地貌地貌及地球内部物理特性）：及地球内部物理特性）：4 4 讲讲第第1111讲讲 地质作用及其地质作用及其地貌演化地貌演化 （2 2学时）学时）【引言，引言，内力作用地貌，外力作用地貌，地貌演化内力作用地貌，外力作用地貌，地貌演化 】第第1212讲讲 板块构造及其动力学板块构造及其动力学 （2 2学时）学时）【引言，断引言，断层，海底扩张，大陆漂移，造山运动，板块俯冲，各种洞穴效应，各种证据层，海底扩张，大陆漂移，造山运动，板块俯冲
8、，各种洞穴效应，各种证据】第第1313讲讲 地震（地震（2 2学时）学时）【引言，地震及成因，地震波，自然引言，地震及成因，地震波，自然灾害，地震预测，地球内部探测灾害，地震预测，地球内部探测 】第第1414讲讲 地幔、外核与内核地幔、外核与内核 ( (2 2学时学时) )【引言，地幔对流，液引言，地幔对流，液核动力学，核幔耦合效应，内核及其动力学，内核各向异性及超速旋转，科学核动力学，核幔耦合效应，内核及其动力学，内核各向异性及超速旋转，科学难题难题】【学生演讲学生演讲6 6学时；总复习学时；总复习2 2学时学时】引论（续）总纲：总纲：自地球起源至今，历时约自地球起源至今，历时约4545亿年
9、。亿年。恒星大爆炸生成元素，元素构成星云；恒星大爆炸生成元素，元素构成星云；星云形成有形地球，具有自转特征；星云形成有形地球，具有自转特征；地球有各种物理场：重力场，电磁场，热场；地球有各种物理场：重力场，电磁场，热场；地球形成各种圈层：内核，外核，地壳，地幔，水圈，地球形成各种圈层：内核，外核，地壳，地幔，水圈， 大气圈；大气圈；地球蕴含各种动力学过程：地表形变及物质迁移，板块地球蕴含各种动力学过程：地表形变及物质迁移，板块 构造运动，地震，圈层间耦合作用等。构造运动，地震，圈层间耦合作用等。地球是一个复杂的动力学系统，地球环境由于各种动态因地球是一个复杂的动力学系统，地球环境由于各种动态因
10、素而无时无刻不在发生变迁。素而无时无刻不在发生变迁。开篇科学始于思考和怀疑！科学始于思考和怀疑！地球科学概论（1 41 4 讲）第 1 1 讲宇宙及太阳系起源宇宙及太阳系起源12申文斌，徐新禹，霍学深，金涛勇申文斌，徐新禹，霍学深，金涛勇20152015年年3 3月月2-32-3日日目录1.1. 宇宙是如何起源的宇宙是如何起源的2.2. 太阳系是如何起源的太阳系是如何起源的3.3. 宇宙中有多少种元素宇宙中有多少种元素4.4. 宇宙元素是如何起源的宇宙元素是如何起源的5.5. 万有引力作用及万有引力常数万有引力作用及万有引力常数GG13西方圣经：西方圣经：开始，上开始，上帝创造天地帝创造天地
11、【第一天，第一天，上帝创造光；第二天，上帝创造水和水生物上帝创造光；第二天，上帝创造水和水生物; ; 第三天，上帝创造陆地和植物第三天，上帝创造陆地和植物; ; 第四天，上帝第四天，上帝创造日月星辰创造日月星辰; ; 第五天，上帝创造各种动物第五天，上帝创造各种动物; ; 第六天，上帝创造人类；第第六天，上帝创造人类；第7 7天，安息日天，安息日】东方易经（周易）：东方易经（周易）：太极生两翼（阴阳），太极生两翼（阴阳），两翼生四象，四象生八卦，八卦生万物（八卦两翼生四象，四象生八卦，八卦生万物（八卦图：伏羲受河图、洛书启示所画）图：伏羲受河图、洛书启示所画） 【道生一，道生一，一生二，二生三
12、，三生万物（老子）一生二，二生三，三生万物（老子）】【宇宙起源时间？宇宙起源时间？】1 1 宇宙是如何起源的？宇宙是如何起源的？牛顿（牛顿（16871687）：）：绝对时间和空间，空间呈现静止性、永绝对时间和空间，空间呈现静止性、永恒性和无限性恒性和无限性 【绝对空间，就其本性而论与任何外界因素绝对空间，就其本性而论与任何外界因素无关，始终保持相似和不变无关，始终保持相似和不变】奥伯斯佯谬（奥伯斯佯谬（18261826）：）：夜晚一片光明夜晚一片光明【每个方向都布满每个方向都布满恒星恒星】爱因斯坦（爱因斯坦（19171917）：）：引入了宇宙常数项，以满足宇宙静引入了宇宙常数项，以满足宇宙静止
13、性止性【最大错误最大错误】1 1 宇宙是如何起源的？宇宙是如何起源的？哈勃膨胀（哈勃膨胀（19291929）：）：2424个邻近星系远离我们而去，个邻近星系远离我们而去， v=Hd v=Hd 【光谱比光谱比对，基于多普勒原理推断；对，基于多普勒原理推断；H=50-80 (km/s)/Mpc. H=50-80 (km/s)/Mpc. 距离我们距离我们1Mpc 1Mpc 的星系的的星系的退行速度是退行速度是50-80km/s. 50-80km/s. 哈勃的发现导致宇宙大爆炸学说（请推理）哈勃的发现导致宇宙大爆炸学说（请推理） 1pc( 1pc(秒秒差距差距)=3)=3* *10E16 m10E16
14、 m】微波背景辐射：微波背景辐射：伽莫夫（伽莫夫（19461946？）：理论推演，如果宇？）：理论推演，如果宇宙起源于大爆炸，则存在遗留的背景光子温度宙起源于大爆炸，则存在遗留的背景光子温度10K10K。彭齐亚彭齐亚斯和威尔逊（斯和威尔逊（19641964）：发现）：发现3.5K 3.5K 背景辐射。背景辐射。现代结果：现代结果：2.7K2.7KHoyle and Tayler (1964): Hoyle and Tayler (1964): 大爆炸理论要求氦丰度为大爆炸理论要求氦丰度为23-25%23-25%。 实际测量值，普遍存在实际测量值，普遍存在24%24%的氦丰度的氦丰度 1 1 宇
15、宙是如何起源的？宇宙是如何起源的？大爆炸说三大证据大爆炸说三大证据笛卡儿（笛卡儿（R.Descartes，1644）在他的）在他的哲学原理哲学原理一一书中提出了第一个太阳系起源的学说，他认为太阳、书中提出了第一个太阳系起源的学说，他认为太阳、行星行星和和卫星是在宇宙物质涡流式的运动中形成的大小不同的旋涡里卫星是在宇宙物质涡流式的运动中形成的大小不同的旋涡里形成的。形成的。 康德康德- -拉普拉斯假说：拉普拉斯假说：由缓慢旋转的气体星云演化而来由缓慢旋转的气体星云演化而来【由于引力作用，逐渐收缩，旋转加快，甩出气体物质，形由于引力作用，逐渐收缩，旋转加快，甩出气体物质，形成星云环；冷却聚结，形成
16、行星，成星云环；冷却聚结，形成行星，;逐级进行，行星又产逐级进行，行星又产生卫星，生卫星，】难题难题1 1：太阳占太阳系总质量的：太阳占太阳系总质量的99.9%, 99.9%, 但其角动量不到但其角动量不到2%2%难题难题2 2：假定角动量全部集中于太阳，在赤道方向的离心力只有引力的：假定角动量全部集中于太阳，在赤道方向的离心力只有引力的5%5%左右，难以甩出物质左右，难以甩出物质2 2 太阳系是如何起源的？太阳系是如何起源的？解决方案解决方案1 1：角动量通过电磁力传递（角动量通过电磁力传递（AlfvenAlfven），但需要），但需要非常强的太阳磁场非常强的太阳磁场【与观测不符与观测不符】
17、解决方案解决方案2 2：原本就是分级环状气体星云原本就是分级环状气体星云太阳及星云为何总是向一个方向旋转？太阳及星云为何总是向一个方向旋转？【给出推理过程，给出推理过程，主要采用磁场、电离、洛伦兹力等概念主要采用磁场、电离、洛伦兹力等概念】【申文斌（申文斌（20132013）：中性原）：中性原子的核子具有磁矩（磁场，假定磁力线从北极出，南极入），落向原子核的电子逆时针旋转；原子的核子具有磁矩（磁场，假定磁力线从北极出，南极入），落向原子核的电子逆时针旋转；原子产生的磁场是反向的（南极出，北极入）；粒子落向原子，粒子被电离，正电荷离原子更近，子产生的磁场是反向的（南极出，北极入）；粒子落向原子，
18、粒子被电离，正电荷离原子更近，受洛伦兹力较大，因此逆时钟旋转。以此类推受洛伦兹力较大，因此逆时钟旋转。以此类推】【世界难题世界难题】2 2 太阳系是如何起源的？太阳系是如何起源的？地球位于水晶球中心,球外有9个套层：围绕地球转动的7个天层，统称Plant；第8层是恒星天层；第9层是原动力层2 2 太阳系是如何起源的？太阳系是如何起源的？C.Ptolemy补充了行星 “均轮”和“本轮” 轨道理论假说。“原动力天层”使上帝成为推动宇宙运动的“第一推动力” 。这种宇宙结构符合人类的直觉印象，又符合人类中心说的基督教义，一度成为中世纪欧洲维护神权统论的理论支柱。2 2 太阳系是如何起源的？太阳系是如何
19、起源的？太阳系的发现太阳系的发现N.Copernicus(14731543)N.Copernicus(14731543) G.Bruno(1548-1600) G. Galileo(1564-1642)G.Bruno(1548-1600) G. Galileo(1564-1642)2 2 太阳系是如何起源的？太阳系是如何起源的？2 2 太阳系是如何起源的？太阳系是如何起源的？2 2 太阳系是如何起源的？太阳系是如何起源的？哥白尼为何能提出日心说？太阳系组成太阳系组成恒星：恒星：太阳太阳行星：行星：水星，金星，地球，火星；水星，金星，地球，火星；木星，土星，木星，土星， 天王星，海王星天王星，海
20、王星，冥王星，冥王星，(?)(?)2003UB313 2003UB313 小行星：小行星：(?(?个数个数) )卫星：卫星：土星土星1818个，木星个，木星1616个，天王星个，天王星1515个，个， 海王星海王星8 8个，火星个，火星2 2个，个，( (冥王星和冥王星和) )地球各地球各1 1个，个， 共共6161个个慧星，流星和陨石，行星际物质慧星，流星和陨石，行星际物质【具有异常自转方向的行星：金星（倒转）；天王星（躺着转）具有异常自转方向的行星：金星（倒转）；天王星（躺着转）】【】【机机理解释：科学难题理解释：科学难题】2 2 太阳系是如何起源的？太阳系是如何起源的？太阳系行星的大小比
21、较2 2 太阳系是如何起源的？太阳系是如何起源的？2 2 太阳系是如何起源的？太阳系是如何起源的？2 2 太阳系是如何起源的？太阳系是如何起源的？最新消息：距离我们500光年处，发现了“地球堂兄弟”太阳系的起源2 2 太阳系是如何起源的？太阳系是如何起源的？l太阳太阳太阳旋转：太阳旋转：太阳自转轴与黄道面夹角太阳自转轴与黄道面夹角7 7o o1515，周期为，周期为2727天。天。旋转速度不均匀，赤道周期比极周期大旋转速度不均匀，赤道周期比极周期大4 4天。天。【赤道物赤道物质为什么旋转得快一些？质为什么旋转得快一些？】【练习题练习题】2 2 太阳系是如何起源的？太阳系是如何起源的？地球接受的
22、太阳能地球接受的太阳能= =太阳总辐射能的太阳总辐射能的2222亿分之一亿分之一太阳的温度：表面平均温度太阳的温度：表面平均温度=5770K=5770K（=5500=5500） 中心温度中心温度1.51.510107 7K K 【思考：如何思考：如何推断出来的？推断出来的？】太阳巨大的能量是如何产生的？太阳巨大的能量是如何产生的？2020世纪前的观点：世纪前的观点： 化学反应（燃烧）说，重力收缩说，陨星降落说，化学反应（燃烧）说，重力收缩说，陨星降落说，天然放射性等。天然放射性等。爱因斯坦狭义相对论：爱因斯坦狭义相对论： 质能方程：质能方程：2 2 太阳系是如何起源的？太阳系是如何起源的？一克
23、氢聚变为氦的质量消耗一克氢聚变为氦的质量消耗 x x（克）和转化的热（克）和转化的热能能E E 4 41.0079:11.0079:1（克）（克）=0.029=0.029：(x)(x)克克 x = 0.0072 x = 0.0072（克）（克） x - E: x - E:E=0.0072E=0.0072(3(310101010) )2 2=6.5=6.510101818尔格尔格6280.26280.2亿焦耳亿焦耳 1 1克氢核聚变反应产生的热能，相当于燃烧克氢核聚变反应产生的热能，相当于燃烧1515吨吨石油或石油或27002700吨煤所释放的热量吨煤所释放的热量! !可使可使15001500吨
24、水从吨水从00加热到加热到100100。2 2 太阳系是如何起源的？太阳系是如何起源的？太阳寿命估算：太阳寿命估算：【练习题练习题】太阳每分钟消耗的质量太阳每分钟消耗的质量m/minm/min：m/minm/min = = 2.72.710101414克克/min=2.7/min=2.710108 8吨吨/min/min一年消耗质量一年消耗质量=24=2460603653652.72.710108 8吨吨/ /年年 =1.419 =1.41910101414吨吨/ /年（年（140140万亿吨）万亿吨）太阳过去太阳过去5050亿年中消耗的质量亿年中消耗的质量=5=510109 91.41.41
25、0101414吨吨 =7.0 =7.010102323吨吨占全部质量的占全部质量的%= 0.03%= 0.03%预计太阳的寿命为预计太阳的寿命为100100亿年亿年假定：太阳没有获得宇宙中的质量假定：太阳没有获得宇宙中的质量 23201025J / min6.280108J23277.0 102.0 102 2 太阳系是如何起源的？太阳系是如何起源的？5050亿年后太阳所剩质量是现在质量的亿年后太阳所剩质量是现在质量的(1.4/1(1.4/1万万) )。5050亿年后太阳将进入亿年后太阳将进入“老年期老年期”，直到用完它的，直到用完它的氢燃料为止。氢燃料为止。它将开始使用它的氦；将转变为红巨星
26、，比现在它将开始使用它的氦；将转变为红巨星，比现在明亮明亮10001000倍，尺寸要增大倍，尺寸要增大100100倍左右。它将吞噬地球倍左右。它将吞噬地球等行星。等行星。2 2 太阳系是如何起源的？太阳系是如何起源的？德莫克利特德莫克利特：原子论（即物质是由一不可分割的最小粒子所组成）原子论（即物质是由一不可分割的最小粒子所组成）古古希腊四元素说希腊四元素说：土，气，水，火：土，气，水，火 【万事万物由此构成万事万物由此构成】【四元素说的发展：四元素说的发展：毕达哥拉斯（毕达哥拉斯（PythagorasPythagoras）四元素说；）四元素说；亚里斯多亚里斯多德（公元前德（公元前384384
27、322322）承认四元素说，但认为组成天体的元素与地球不同，）承认四元素说，但认为组成天体的元素与地球不同，是纯粹的是纯粹的“以太以太”，是第五元素。亚里斯多德在他老师四元素几何化的基，是第五元素。亚里斯多德在他老师四元素几何化的基础上，将四元素说发展成为一种体系。这个思想体系有效地支撑了地心础上，将四元素说发展成为一种体系。这个思想体系有效地支撑了地心说。说。】图示：图示：3 3 宇宙中有多少种元素？宇宙中有多少种元素？东方五行学说：东方五行学说：金木水火土，相生相克金木水火土，相生相克 【如如何相生相克？关系图？何相生相克？关系图？】【练习题：制作相生练习题：制作相生相克关系图，并给予说明
28、相克关系图，并给予说明】门捷列夫元素周期表：门捷列夫元素周期表：118 118 个，至少还有个，至少还有20-20-7070种元素尚未被发现种元素尚未被发现3 3 宇宙中有多少种元素？宇宙中有多少种元素？门捷列夫元素周期表门捷列夫元素周期表3 3 宇宙中有多少种元素？宇宙中有多少种元素？3 3 宇宙中有多少种元素？宇宙中有多少种元素？门捷列夫元素周期表元素合成理论（元素合成理论（B B2 2FHFH理论）：由理论）：由E.M. BurbidgeE.M. Burbidge夫妇，夫妇， W.A. FowlerW.A. Fowler和和F. HoyleF. Hoyle于于19571957年提出。年提
29、出。 宇宙中各种元素并非在一次大爆是在恒星演化的热核宇宙中各种元素并非在一次大爆是在恒星演化的热核l红巨星中心温度达到红巨星中心温度达到: :p 10108 8K K, 3个氦聚变为1个碳碳核； p 6 6 10108 8K K, 2个碳核聚变为1个氧氧核； p 10109 9K K, 氧核聚变为硅硅核； p 3 3 10109 9K-4 K-4 10109 9K K, 硅核聚变为铁铁核。 l由于铁核及其外围由于铁核及其外围8 8个电子结构十分稳固，更重的个电子结构十分稳固，更重的 元素无法在恒星的正常核聚变过程中形成。元素无法在恒星的正常核聚变过程中形成。 l 超新星爆发成为重元素诞生的唯一
30、途超新星爆发成为重元素诞生的唯一途4 4 宇宙元素是如何起源的？宇宙元素是如何起源的？有轻到重，由简单到复杂：电子，质子，中子(1) 轻元素的起源轻元素的起源 可能最初宇宙只是含有一些简单的元素，然后这些简单元素再组合为复杂元素。中子、质子、电子？4 4 宇宙元素是如何起源的？宇宙元素是如何起源的？难题1：如何构成复杂元素？没有最初的（宇宙、恒星）大爆炸，就没有高温，就难以形成重元素难题2：何以产生最初的大爆炸呢？(2) (2) 重元素的产生重元素的产生（a）太阳本身是由原始的太阳星云物质聚集结团形成的，那些原始的星云物质又是由更早期的恒星死亡后喷射出来的残骸, 因为太阳温度还不足以产生重元素
31、（b）形成太阳的原料里早已经含有一定的重元素，因此要真正了解在宇宙中重元素的起源，还需考察要宇宙中比太阳更加早期的恒星4 4 宇宙元素是如何起源的？宇宙元素是如何起源的？难题：恒星是如何起源的？(3) (3) 陨石记录陨石记录（a）在原始太阳星云的大部分物质结团为现在的太阳及行星时，漂浮游荡于太阳系的宇宙尘埃被初生炽热的太阳熔融甚至汽化，然后凝结为矿物质微粒（b）搜集到这样的微粒，可追踪元素在恒星演化过程中的起源真相4 4 宇宙元素是如何起源的？宇宙元素是如何起源的？(4) (4) 恒星爆炸恒星爆炸-聚合聚合-重元素重元素（a）在太阳还没有出世的时候，重元素已经在宇宙各处的恒星里面被制造出来（
32、b）当那些恒星陆续爆炸、喷射、死亡之后，它们的遗骸散布于原始星云（c）有一些恒星的边角余料形成了象地球这样的行星。这时元素周期表上面的所有稳定元素，都已经准备好了，构成大山，长河，树木花草，最终构成我们万物之灵人4 4 宇宙元素是如何起源的？宇宙元素是如何起源的？元素起源小结：元素起源小结：相继发生在恒星内部的核融合过程通常是氢燃烧（质子-质子链反应或碳氮氧循环）、氦燃烧、碳燃烧、氖燃烧、氧燃烧和硅燃烧。每添加一个alpha粒子（氦核），元素“前进”一步温度条件非常重要！4 4 宇宙元素是如何起源的？宇宙元素是如何起源的？1 1 万有引力定律：万有引力定律：2 2 引力常数引力常数G G的测定
33、：的测定：3 3 引力常数引力常数G G是衰变的吗？是衰变的吗？5 5 万有引力作用及万有引力常数万有引力作用及万有引力常数G G1 1 万有引力定律的本质是什么？万有引力定律的本质是什么？【世界难题世界难题】2 2 万有引力定律是如何创造的？万有引力定律是如何创造的？【参考牛顿参考牛顿“自然哲自然哲学的数学原理学的数学原理” 】【基于开普勒三大定律可导出万有引力定律，第二讲基于开普勒三大定律可导出万有引力定律，第二讲】5.1 5.1 万有引力定律万有引力定律 （牛顿（牛顿16871687）1 1 你有什么办法来测定你有什么办法来测定G G？【思考题思考题】【研究课题研究课题】2 2 卫星探测
34、法能测出什么量？卫星探测法能测出什么量？【思考题思考题】5.2 5.2 引力常数引力常数G G的测定的测定1 1 狄拉克大数假设：狄拉克大数假设：G G 随宇宙年龄而衰减随宇宙年龄而衰减 【大数之间有大数之间有关联关联】2 2 基于基于G G衰减假设得到的推论：地球膨胀衰减假设得到的推论：地球膨胀【论证题论证题】；月；月球退行球退行【论证题论证题】；地表引力减小；地表引力减小【练习，给出量级关系练习，给出量级关系】；3 3 你有什么办法估计你有什么办法估计G G衰变的量级或给出下限衰变的量级或给出下限 【研究课研究课题题】5.3 5.3 引力常数引力常数G G是衰变的吗？是衰变的吗？思考及练习
35、题：思考及练习题：1 1 亚里士多德的宇宙观与哥白尼的宇宙观有什么区别？亚里士多德的宇宙观与哥白尼的宇宙观有什么区别？2 2 宇宙大爆炸学说的主要证据？该学说有什么缺陷？宇宙大爆炸学说的主要证据？该学说有什么缺陷？3 3 阐述古中国的宇宙起源观阐述古中国的宇宙起源观4 4 太阳系是如何起源的？太阳系是如何起源的？5 5 中国五行学说有什么价值？说明相生相克关系中国五行学说有什么价值？说明相生相克关系6 6 如何构建太阳系起源及演化模型如何构建太阳系起源及演化模型 7 7 重元素是如何起源的？重元素是如何起源的？8 8 采用适当观测手段估计引力常数采用适当观测手段估计引力常数 G G 衰变的量级
36、衰变的量级 9 9 月球的退行与引力常数月球的退行与引力常数 G G 的衰变的衰变本讲：讲授了宇宙、太阳系起源，太阳系的形成，宇宙元本讲：讲授了宇宙、太阳系起源，太阳系的形成，宇宙元素种类、起源，万有引力定律及引力常数。素种类、起源，万有引力定律及引力常数。重点：重点：p 宇宙大爆炸的三个证据p 太阳系起源的星云假说p 哥白尼的日心说p 宇宙中各种元素的起源p 引力常数G的测定方法行星，地球，月球的运行规律如何，这是下次讲行星，地球，月球的运行规律如何，这是下次讲授的内容：授的内容：第第2 2讲讲 行星及地月系行星及地月系总总 结结联系方式：联系方式：谢 谢再见地 球 科 学 概 论 （ 1
37、41 4 讲 ）第 2 2 讲行星及地行星及地月月系系申文斌，徐新禹，霍学深，金涛勇申文斌，徐新禹，霍学深，金涛勇20152015年年3 3月月2 2-9-9日日内容提要l 太阳系的行星太阳系的行星l 地球在太阳系中的运动地球在太阳系中的运动l 地月系地月系l 地球的潮汐运动和自转速度减慢地球的潮汐运动和自转速度减慢52太阳系的行星l 太阳系组成太阳系组成p 恒星：太阳l 行星：行星：水星（水星（Mercury），金星），金星(Venus)，地球（，地球（Earth），火星），火星(Mars)；木星(Jupiter)，土星(Saturn)，天王星(Uranus,1781)，海王星(Neptun
38、e,1846)，冥王星(Pluto,1930)，阋(xi4)神星（Eris，2003）p 类地行星：体积小、质量小、密度大p 类木行星：体积大，质量大，密度小p 巨行星、远日行星（类地行星，一种分法）53太阳系的行星l 太阳系组成太阳系组成p 小行星：火星和木星之间（直径 60-70km）p 卫星：围绕行星运行的天体（60+1个）p 彗星、流星、陨石以及星际物质p 矮行星54l 太阳系行星的大小比较太阳系行星的大小比较55太阳系的行星56太阳系的行星57太阳系的行星l 8 8大行星的相关参数大行星的相关参数58太阳系的行星行星行星与太阳距与太阳距离离(AU)公转周期公转周期(恒星年恒星年)自转
39、周期自转周期(恒星日恒星日)质质 量量地球地球1体体 积积地球地球1密密 度度g/cm3赤道面与轨赤道面与轨道面夹角道面夹角水星0.3888 d58.6d0.060.0565.40.01金星0.72225 d243d0.820.8565.2177.36177.36地球地球1.00365.25d23h56m1.001.005.523.45火星1.521.88 y24h37m0.110.153.925.19木星5.2011.86y9h50m31813161.33.13土星9.5729.5 y10h14m947450.726.73天王178119.2884 y16h48m1565.21.397.77
40、97.77海王184630.13164.8y16h06m1757.11.728.32冥王193039.5248.8 y6.39d0.0026（直径2274)1.1122.53太阳系的行星l 水星水星 p 1974年“水手”10号飞近和飞远水星时拍摄的照片p 无卫星、气体59太阳系的行星l 金星金星p 一九七四年“水手”10号拍摄的金星，其表面厚厚的云层清晰可见p 无卫星，有二氧化碳60金星上的峡谷太阳系的行星l 地球地球p 月球上看地球，月球轮廓/地球轮廓：0.27p 1个卫星61太阳系的行星l 火星火星p “哈勃”天文望远镜中的火星p 2个卫星，有二氧化碳62火卫二 (Deimos)火卫一
41、(Phobos)太阳系的行星l 火星火星p 行进中的火星探测器“索杰纳”63太阳系的行星l 火星火星p 纵横交错的河网64太阳系的行星l 火星火星p 火星大气CO2p 不足地球1/10065太阳系的行星l 木星木星p 一九九一年“哈勃”望远镜拍摄的木星，清晰地显示了在木星大气层中云的结构p 16个卫星, 有氢、氦气体层66太阳系的行星l 木星木星p 木星(左)和它的卫星们，图中木星的大红斑清晰可见67太阳系的行星l 木星木星p 万古奇观：长达十六万千米的彗星列车撞击木星68苏梅克列维9号彗星绕木星运动示意图太阳系的行星l 木星木星p 万古奇观：长达十六万千米的彗星列车撞击木星69苏梅克列维9号
42、彗星的碎片太阳系的行星l 木星木星p 万古奇观：长达十六万千米的彗星列车撞击木星70太阳系的行星l 土星土星p “旅行者”拍摄的土星及土星环p 18个卫星；有氢、氦气体层71太阳系的行星l 土星土星p “旅行者”从背后拍摄的土星p 18个卫星72太阳系的行星l 土星土星p 艳丽多彩、结构复杂的土星环73太阳系的行星l 天王星天王星 【17811781】p “哈勃”望远镜拍到的天王星与它的环和两个卫星p 27颗卫星；氢、氦层74太阳系的行星l 天王星天王星p “旅行者”拍到的天王星环75太阳系的行星l 海王星海王星 【18461846，牛顿理论预测，牛顿理论预测】p 海王星及其卫星p 14颗卫星
43、；氢、氦层76l 太阳系中除了太阳、八大行星、几十颗卫星外太阳系中除了太阳、八大行星、几十颗卫星外，还有成千上万的小行星和彗星。这些小行星集，还有成千上万的小行星和彗星。这些小行星集中在火星与木星轨道之间，形成一条小行星带，中在火星与木星轨道之间，形成一条小行星带，估计数量超过估计数量超过5050万颗。万颗。77太阳系的行星小行星爱神小行星爱达l 陨石可能是小行星、行星、大的卫星或彗星分陨石可能是小行星、行星、大的卫星或彗星分裂后产生的碎块，它携带来这些天体的原始信息裂后产生的碎块，它携带来这些天体的原始信息78太阳系的行星吉林陨石重1770千克，是至今世界上最大的石陨石美国亚利桑那州巴林杰陨
44、石坑l 陨石可能是小行星、行星、大的卫星或彗星分陨石可能是小行星、行星、大的卫星或彗星分裂后产生的碎块，它携带来这些天体的原始信息裂后产生的碎块，它携带来这些天体的原始信息79太阳系的行星辽宁：陨石撞击坑 太阳系的行星l 行星距离规律之一行星距离规律之一p Titius-Bode 法则 (由里向外：行星轨道半径规律)：80太阳系的行星l 行星距离规律之二行星距离规律之二p Ter Haar-Cameron (1963) 法则 (由里向外：行星轨道半径规律)：81练习题：试确定常系数 R_0 和 m 太阳系的行星l 行星运行规律行星运行规律p 开普勒三大定律p 牛顿万有引力定律+牛顿第二定律思考
45、及练习：试根据长期天文观测总结归纳出开普勒三大定律82地球在太阳系中的运动l 地球的自转地球的自转p 你如何知道地球在自转呢？【第4讲】l 地球的公转地球的公转p 证据一：恒星周年视差83地球在太阳系中的运动l 地球的公转地球的公转p 证据一：恒星周年视差84地球在太阳系中的运动l 地球的公转地球的公转p 第二证据：光行差p 光行差现象是由于地球的公转和光从恒星到达地球需要一定的时间造成的天体的真实方向和观察方向之差称光行差。p 光行差可以由速度叠加的原理解释。 在沿EE方向运动的观察者看来， 天体S好像位于S的方向。p 第三证据（？）：多普勒效应85地球在太阳系中的运动l 地球的公转地球的公
46、转86根据日出日落时间确定你所在的纬度 【练习题】地月系l 1 1 双星系统？双星系统？【月球是卫星吗月球是卫星吗】p 在太阳系所有卫星和本行星大小对比关系上，月球是最大的一个（绝对大小排名第六），因此，有时可把地球和月球看成是两相伴随的双行星系统l 2 2 月球是如何形成的？月球是如何形成的？【不同的观点不同的观点】p 分裂说p 俘获说p 同源说p 碰撞说87地月系l 月球月球88月球的环形山月亮的南极地区地月系l 月球基本参数月球基本参数p 月地平均距离=3844011km (约为地球半径的60倍，日地距离的1/389)p 月球大小：半径=1738km3/11 地球半径p 质量=7.351
47、025g1/81.3 地球质量p 月球平均密度=3.34g/cm3 (地球平均密度=5.5 g/cm3 )p 月球表面平均密度3.0g/cm3p 表面平均重力=162.3伽1/6 地球表面平均重力p 月球逃逸速度2.36km/s1/5 地球逃逸速度89地月系l 月球的环境月球的环境p 无大气圈，无水圈，无磁层包围，太阳系中大小不等固体岩块、尘埃及各种高能粒子流、宇宙线，均可直接轰击月面，月面布满各种陨击坑。月球既无生命存在，是一无声的万籁俱寂的世界。p 为何月球外部几乎没有磁场？【思考题】p 地貌：月球的地形可分为平原、高地和山脉。在月球上，平原约占月球的55，大部分面向地球，适于建造居住设施
48、。90地月系l 月球的环境月球的环境p 地层：月球的地层由表层、月壳、月幔、月核组成。表层覆盖着厚度达几米到几十米的细沙。如果想铲除表层，挖掘作业相当困难。p 地质：岩石部分大多数为玄武岩、橄榄石、玻辉岩、斜长石及钛铁矿等，其强度和地球上的同类岩石相同。p 月震：月震比地震较弱且次数较小。p 重力：月球上的重力加速度是地球上的16，构筑物的自重或活荷载因而也为16。91地月系l 月球的环境月球的环境p 真空：月球上没有空气，处于超真空状态，需要在住室外加压后才适于人类居住。p 温度：白昼14天，黑夜也是14天，因为没有空气，昼夜温差非常大(190137)，但距地表1m以下的温度(30)很稳定。
49、p 放射线：月球上的宇宙线、太阳风等放射线很多，为了防御辐射，必须将构筑物盖上2m厚的土。p 陨石：月球上没有空气，大小各异的陨石没有燃尽就会落下来，其坠落速度为2040m/s。92地月系l 月球的旋转月球的旋转93地月系l 月球的旋转月球的旋转94地月系l 月球的旋转公转月球的旋转公转p 公转周期：恒星月=27d7h43m11.4sp 朔望月：连续两次新月（朔）或满月（望）所经历时间29d12h44m3sp 近地点速度=15o o /dp 远地点速度=11o o /dp 平均速度=13.2o o /dp 线速度=3672km/h=1.02km/s95地月系l 月球的旋转自转月球的旋转自转p
50、月球的自转周期与公转周期相等，都是一个恒星月，方向也相同，即反时针方向旋转。是一种同步自转。96思考：为何具有同步自转？地月系l 月球的旋转自转月球的旋转自转p 月相变化97地月系l 月球的旋转自转月球的旋转自转p 月相变化（图有问题？）98地月系l 月球的旋转自转月球的旋转自转p 月相变化【思考】你如何根据月相判断农历日期？地球的潮汐运动l 潮汐现象：潮汐现象：p 东汉学者王充曾指出：“涛之起也，随月盛衰”唐代学者余道安在其所著海潮图序中写道：“潮之涨退，海非增减。盖月之所临，则水从往之此竭彼盈，往来不绝，皆系于月，不系于日”。p 潮汐现象是日、月（主要是月球）对地球表面不同部位引力之差异产
