1、大学物理,万物生长靠太阳太阳是能源也是扰动源八大行星行星运动日食和月食太阳系的小天体,第四章， 太阳与太阳系,大学物理,半径: 696295 千米.比地球大109倍体积是地球的130万倍 质量: 1.9891030 千克,是地球的33万倍 , 温度: 5800 (表面)，1560万 (核心) 总辐射功率: 3.831026 焦耳/秒 平均密度: 1.409 克/立方厘米 日地平均距离: 1亿5千万 千米 年龄: 约50亿年,太阳基本物理参数,地球上所用的能源归根到底都来源于太阳,大学物理,太阳是一颗非常普通的恒星，正处在壮年。在广袤浩瀚的繁星世界里，太阳的亮度、大小和物质密度都处于中等水平。只
2、是因为它离地球最近，所以看上去是天空中最大最亮的天体。其它恒星离我们都非常遥远，即使是最近的恒星，也比太阳远27万倍，看上去只是一个闪烁的光点.太阳是个气体球，其中氢约占71, 氦约占27, 其它元素占2。但这些物质均处在物质的第四态 等离子态。,大学物理,太阳从中心向外可分为核反应区、辐射区和对流区、太阳大气。太阳的大气层，像地球的大气层一样，可按不同的高度和不同的性质分成各个圈层，即光球、色球和日冕三层。我们平常看到的太阳表面，即光球，是太阳大气的最底层，温度约是6000摄氏度。它是不透明的，因此我们不能直接看见太阳内部的结构。太阳的核心区域虽然很小，半径只是太阳半径的1/4，但却是太阳那
3、巨大能量的真正源头。,大学物理,大学物理,太阳核心的温度极高，达1500万，压力也极大，使得由氢聚变为氦的热核反应得以发生，从而释放出极大的能量。这些能量再通过辐射层和对流层中物质的传递，才得以传送到达太阳光球的底部，并通过光球向外辐射出去。光球太亮，平时看不见色球和日冕的辐射。只有日食时可见。光球顶部密度： 8108克/厘米3色球密度： 1014克/厘米3日冕密度更低,大学物理,太阳大气包括光球，色球和日冕,太阳大气,光球 可见光辐射区， 光球厚度约500 km， 温度约6000 K， 利用吸收光谱确定了67种元素的化学组成。,大学物理,米粒组织 光球上的明亮斑点， 平均直径约1000 km
4、， 寿命约5-10分钟， 米粒比光球温度高300-400K， 由光球下面的气体对流造成。,大学物理,色球 位于光球上方，厚度约2,000 - 3000 km。 密度稀薄，光度较低。 仅在日全食时才能观测到。,大学物理,太阳大气的最外层，温度 106 107 K， 非常稀薄的电离气体。,日冕,大学物理,日冕的高能辐射,紫外,X射线,大学物理,4. 2 太阳是能源也是扰动源,太阳发出全波段的电磁辐射，包括可见光，无线电波，红外线，紫外线，X射线和射线等。紫外线，X射线和射线都是危及生命的杀手，幸亏有大气层保护，把它们挡在地球外面了。太阳风是太阳发出的高温，高速，低密度的物质粒子，呈螺旋状轰击地球，
5、也是危及生命的杀手，幸亏地球有磁层保护，使它们无法接近地球。,大学物理,太阳风,太阳释放的快速带电子流。 太阳风源于日冕的高温。 质量损失率1012 g/s。 太阳风主要通过冕洞向外流失。,大学物理,大学物理,大学物理,太阳风与极光,地球磁层,大学物理,太阳黑子 光球上不规则的黑色区域，大小约10,000千米，温度约4000 4500 K。通常成群出现。,大学物理,太阳黑子的变化,黑子的持续时间为几小时到几个月。 利用黑子在日面的运动可以确定太阳的较差转动。,大学物理,太阳黑子的变化,黑子数的平均变化周期大约为11年。 在此期间黑子逐渐向赤道方向运动。,大学物理,黑子与太阳磁场,磁场穿透太阳表
6、面， 黑子形成。,大学物理,日珥,突出日面的物质抛射。 比日面暗弱，需要单色观测或在日全食时观测。 与黑子有密切联系。 来自色球/日冕的冷气体云。,大学物理,耀斑,电磁能与离子的快速释放过程。 耀斑通常与黑子活动有关。,大学物理,太阳活动区,大学物理,太阳剧烈活动：短波无线电通讯中断；海上和空中导航系统和导弹制导系统失灵；航天器和高空飞机安全受到威胁。电网和输油管线受损。引发洪涝灾害等。Space weather,大学物理,4.3 八大行星,大学物理,大学物理,大学物理,大学物理,行星分为二类：类地行星(包括水、金、地、火)。类木行星(木、土，天王、海王）。行星公转的轨道的性质：共面性同向性近
7、圆性,大学物理,卫星：除水星和金星外，其他行星均有卫星。 行星环：存在围绕行星运转的物质环，由大量小块 物体(如岩石，冰块等)构成，因反射太阳光而 发亮。有环行星有：土星，木星和天王星和海 王星。 小行星：在火星与木星之间分布着数十万颗大小不 等、形状各异的小行星，沿着椭圆轨道绕太阳运行，这个区域称之为小行星带。 彗星和流星体,大学物理,1.类地行星：水星，金星，地球，火星类地行星的许多特性与地球相接近离太阳相对较近质量和半径都较小平均密度则较大表面都有一层硅酸盐类岩石组成的坚硬壳层有着类似地球和月球的各种地貌特征水星外貌类似于月球，密布着环形山和沟纹. 金星，表面地形更像地球。,大学物理,大
8、学物理,轨道半长径： 5791万 千米 (0.38 天文单位) 公转周期： 87.70 日 平均轨道速度： 47.89 千米/每秒 轨道偏心率： 0.206 轨道倾角： 7.0 度 行星赤道半径： 2440 千米 质量(地球质量1)： 0.0553 密度： 5.43 克/立方厘米 自转周期： 58.65 日(书上176日指相对于太阳） 卫星数： 无,水星,大学物理,大学物理,水星是最靠近太阳的行星，是太阳系中运动最快的行星。西方人则称它为墨丘利(Mercury)。水星的密度较大，可能有个含铁丰富的致密内核。水星地貌酷似月球，大小不一的环形山星罗棋布，还有辐射纹、平原、裂谷、盆地等地形。水星大气
9、非常稀薄，昼夜温差很大，阳光直射处温度高达427，夜晚降低到-173。没有卫星 ,没有四季交替。(为什么？）,水星,大学物理,轨道半长径： 1082万 千米 (0.72 天文单位) 公转周期： 224.70 日 平均轨道速度： 35.03 千米/每秒 轨道偏心率： 0.007 轨道倾角： 3.4 度 行星赤道半径： 6052千米 质量(地球质量1)： 0.8150 密度： 5.24 克/立方厘米 自转周期： 243.01 日(很慢，天比年长） 卫星数： 无,金星,大学物理,大学物理,金星（Venus）是天空中最亮的星，亮度最大时全天最亮的恒星天狼星亮14倍(为什么?) 自转一周比公转一周慢，且
10、逆向自转，金星上一年比“一天”还短，看到的太阳是西升东落的。 （因此相对太阳而言，金星的自转周期就大概只有122天了， 太阳对某一地区的照射每次便可持续61天左右）表面奇热，任何生命都难以生存，金星与地 球只是一对“貌合神离“的姐妹。大气密度是地球的100倍，大气中97以上是二氧化碳，温度最高可达447（温室效应）。 金星的大气压力为90个标准大气压，相当于地球海洋深1千米处的压力,金星,大学物理,轨道半长径： 22794万 千米 (1.52 天文单位) 公转周期： 686.98 日 平均轨道速度：24.13 千米/每秒 轨道偏心率： 0.093 轨道倾角： 25.2 度 行星赤道半径： 33
11、98 千米 质量(地球质量1)：0.1074 密度： 3.94 克/立方厘米 自转周期： 1.026 日 卫星数： 2,火星,大学物理,大学物理,火星是一颗红色的行星，多种特性与地球相近。表面75%是由硅酸盐, 褐铁矿等构成的沙漠。大气稀薄干燥，水分极少，二氧化碳约占95%。赤 道附近中午温度20左右, 昼夜温差超过100。火星上一天的长度几乎和地球相同; 自转轴倾角 也和地球差不多,火星上也有四季的变化。近30年来有20多个探测器对火星进行科学探测。火星上没有江河湖海，也没有动植物或微生物。火星有两个小卫星，分别取名为福波斯(火卫一) 和德莫斯(火卫二)。,火星,大学物理,类木行星,体积较大
12、密度小,没有固体外壳。自转快卫星多大气富含氢 都带有光环,大学物理,轨道半长径： 77833 万 千米 (5.20 天文单位) 公转周期： 4332.71 日 平均轨道速度： 13.6 千米/每秒 轨道偏心率： 0.048 轨道倾角： 1.3 度 行星赤道半径： 71398 千米 质量(地球质量1)： 317.833 密度： 1.33 克/立方厘米 自转周期： 0.41 日 卫星数： 63,木星,大学物理,大学物理,木星的亮度仅次于金星木星确实为行星之王，它的质量是太阳系中其它7 颗行星之和的2.5倍，相当于地球的318倍。木星没有固体外壳，大气之下是液态氢组成的海洋。内部是由铁和硅组成的木星
13、核，温度高达 30000。木星核的外部则是液态氢组成的木星 幔。再向外就是木星的大气层。大气厚达1000千米以上，由90的氢和10的氦 及微量的甲烷、水、氨等组成。自转速度是太阳系中最快的。自转周期为9小时50 分30秒。比地球快了近二倍半。,大学物理,快速的自转在木星表面造成了非常复杂的大气运 动，各种对流、环流运动十分激烈和复杂。著名的“大红斑”。大小足够可容纳好几个地球，木星和土星一样也拥有光环。但木星光环和土星光 环有很大不同，肉眼很难看到。 木星是太阳系中卫星数目最多的一颗行星，目前已 发现有63颗卫星。其中排名居前的4颗最大最亮的 卫星由伽利略首先发现，命名为伽利略卫星。木卫三是太
14、阳系最大的卫星，半径为2638km，超 过水星。它最大的特点是拥有自己的磁场。,大学物理,木星辐射出的能量比它从太阳接收到的多50。它也是一个很强的非热射电辐射源很强的磁场！地球的10倍。,大学物理,轨道半长径： 1,429,40万 千米 (9.54 天文单位) 公转周期： 10759.5 日 平均轨道速度： 9.64 千米/每秒 轨道偏心率： 0.056 轨道倾角： 2.5 度 行星赤道半径： 60330 千米 质量(地球质量1)： 95.159 密度： 0.7 克/立方厘米 自转周期： 0.426 日 卫星数： 47,土星,大学物理,大学物理,土星是美丽的行星，质量和大小仅次于木星土星与木
15、星有许多十分相似的地方。岩石构成的核心，核的外围是5000千米厚的冰层和金属氢组成的壳层，再外面以氢、氦为主的大气。有类似木星大红斑的旋涡结构 白斑，规模较小土星公转缓慢，绕太阳一周需29.5年，自转快， 周期为10小时14分。一颗很扁的球体，它的赤道半径比两极大6000千多 米，相差部分几乎等于地球半径。土星体积庞大，密度小，一个比水还轻的行星。,大学物理,土星的光环十分引人注目。光环实际上由无数直径在7厘米9米之间的小冰块组成。环的结构极其复杂，它们在阳光照射下显得色彩斑 斓。土星环的整体形状就象一张巨大的密纹唱片。 土星周围的卫星有47颗。土卫六最大，半径超过水 星，又被命名为“泰坦”，
16、是太阳系第二大卫星。土卫六也是太阳系卫星中唯一拥有浓密大气的天 体，主要成份是氮，约占98，大气层厚度约 2700千米。,大学物理,天王星,轨道半长径：2,870,99万 千米 (19.212 AU) 公转周期： 30685 日 平均轨道速度： 6.81 千米/每秒 轨道偏心率： 0.046 轨道倾角： 98 度 行星赤道半径： 25400 千米 质量(地球质量1)： 14.5 密度： 1.3 克/立方厘米 自转周期： 0.426 日 卫星数： 20,大学物理,大学物理,天王星的一个独特之处是它的自转方式。天王星自 转轴的倾斜度竟达到98度，几乎是以躺着的姿势 绕太阳运转。天王星大气中的主要成
17、份是氢(83)、氦(15%)和 甲烷(2)。在厚厚的大气之下是深达8000千米的汪洋大海，温度高得惊人，将近有4000。天王星也拥有光环，天王星共有11层光环，不同 的环有不同的颜色。天王星已确认有20颗卫星，包括几颗新发现但暂 未正式命名的卫星。,大学物理,轨道半长径： 4,504,00万 千米 (30.06 AU) 公转周期： 60190 日 平均轨道速度： 5.43 千米/每秒 轨道偏心率： 0.008 轨道倾角： 1.6 度 行星赤道半径： 24600 千米 质量(地球质量1)： 17.204 密度： 1.76 克/立方厘米 自转周期： 0.658 日 卫星数： 8,海王星,大学物理,
18、大学物理,海王星和天王星主要大气成份都是氢和氦，内部结构也极为相似。海王星是典型的气体行星，大气中有许多湍急紊乱 的气旋和风暴在翻滚。南半球有一个醒目的大 斑，被认为是一个大气旋，是强烈的风暴区域。海王星也有光环。在地球上只能观察到暗淡模糊 和不连续的圆弧。对其内部结知之甚少。海王星有8颗已知卫星。在1989年旅行者2号探 测器飞抵海王星之前，认为只有两颗卫星。海王星是所谓从“笔尖下发现的行星”。,大学物理,4.4 行星运动,1，开普勒行星三大定律开普勒第一定律 ： 所有行星皆以椭圆形轨道环绕太阳运行，而太阳则处在椭圆的一个焦点上。开普勒第二定律 ：假若在行星和太阳之间画一条直线，无论行星在什
19、么位置，在同等时间之下，这条直线所扫过的面积皆会相等。行星越接近太阳，运行速度越高。,大学物理,开普勒第三定律：行星公转周期的平方与太阳平均距离的立方成正比: (公转周期)2=(常数)(平均距离)3 开普勒只是从行星运动的观测数据中总结出三大定律，属于经验规律，非常正确，但不知是什么原因。,大学物理,牛顿 万有引力定律牛顿提出万有引力定律：萬物皆會互相吸引F = G M1M2/r2 G為引力常數, 6.6711011米3千克1秒2, 太小！地球上的物體的質量太小,它們之间的引力便微不足道！牛顿从万有引力理论出发推导出开普勒三大定律。由天体运行总结出物理规律，成为天体物理的里程碑。,大学物理,牛
20、顿后，建立天体力学 两体问题：有严格解：其轨道为圆锥曲线：圆，椭圆，抛物线和双曲线。三体问题：微分方程不会解。300 多年了，依然没有解决。天体力学方程，多体问题，更不会做严格解。但可做近似解。 摄动理论（微扰理论） 天体间的直接引力与距离平方成反比，而摄动力则与距离的立方成反比。,大学物理,平面圆形限制性三体问题：在二体问题的圆轨道平面上再增加一个无限小质量体。通解依然难求。拉格朗日只找到了五个特解。,大学物理,1. 行星相对于太阳的视运动,行星什么时候能在天上看到，它的方位和亮度 如何? 都与太阳的位置有关。在天球上，行星相对于太阳的运动， 地内行星和地外行星有所不同。,大学物理,地内行星
21、相对于太阳的运动,大学物理,4个特殊位置：上合，下合，东大距，西大距。地内行星公转快，上合东大距下合西大距上合：行星不可能被看到。然后，太阳西下后能看到，“昏星”东大距：看到时间最长，位置最高。然后，时间变短，位置变低，直到看不见 下合： 看不见 然后，日出之前现于东边，“辰星”西大距：看到时间最长，位置最高。,大学物理,大距角有变化：水星： 18o 28o金星： 45o 48o 下合发生在黄道面附近，有“凌日”现象,大学物理,大学物理,地外行星相对于太阳的运动,大学物理,4个特殊位置：合，冲，东方照，西方照。地外行星公转慢，合西方照冲东方照合：行星离地球最远。不能看见。然后，黎明前从东方升起
22、，日出前可见一时西方照：半夜出地平，日出时位置最高。然后，出地平越来越早。 冲：离地球最近，日落升起，半夜中天，日出方落 东方照：上半夜可见。冲时观测行星好,大学物理,4.5 日食和月食,太阳，地球，月球在一直线上。地日距离和地月距离之比太阳直径与月球直径之比。日食：日全食，日偏食，日环食。月食：月全食，月偏食。日食发生在月相朔。部分地球在月球的影子里。月食发生在月相望。月球在地球的影子里。书上有日食发生的时间表。为什么不每月发生？,大学物理,日食与月食,大学物理,日全食与日环食,大学物理,月食,大学物理,4. 6 太阳系小天体,太阳系的小天体包括： 小行星，彗星，流星，人造天体等。,大学物理
23、,1801年元旦，意大利天文学家皮亚奇发现第一颗小 行星，取名为“谷神星”。直径为月球的1/4。后又陆续发现三颗：智神星，婚神星和灶神星。目前已被观测认证的小行星已达20多万颗。 小行星带： 位于火星轨道和木星轨道之间，宽约2亿公里。估计直径在1km以上的超过100万颗。小行星也有自转，也可能有卫星。小行星可以由发现者命名并得到国际公认。,小行星,大学物理,大学物理,大学物理,研究小行星的意义：1 太阳系演化的研究； 2 宇航安全和宇航中间站； 3 有用资源； 4 避开撞击地球的可能性。,大学物理,彗星,大学物理,彗星的轨道通常是很扁的椭圆，抛物线或双曲线，有些原本就不是太阳系的成员，而只是宇
24、宙中的 匆匆过客，在途经太阳附近之后，一去不复返。运行在椭圆轨道上的彗星，则每隔一段时间定期回到太阳身边，称之为周期彗星。彗星的质量很小，与小行星 是同一量级 彗星的大小和形态是随其离太阳的距离而变化的。已有观测记录的彗星有1800多颗，其中200多颗 是周期彗星。The most famous one is HalleysComet),大学物理,哈雷彗星是第一颗被算出正确轨道并按预言准时回归的彗星,它每隔76年左右就会回归地球一次。哈雷彗星在我国历史上有过十分丰富的记录，从春秋战国直到清末的二千多年间，它的每次回归，我国史书中都有记载。,哈雷彗星最近一次回归是在1985年底和1986年初，
25、下一次回归要到2061年左右，你们当中的大部分人 届时还有机会再次见到它的踪影。,大学物理,远离太阳时，彗星看上去只是一个朦胧的星状亮斑(称为彗头)。彗头由中心部分较亮的彗核和外围的云雾状包层 彗发组成。随着与太阳的距离越来越近，彗头的形状逐渐改变，彗发变得越来越大，越来越亮。当彗星来到火星轨道附近时，由于受到更强的太阳辐射，从彗核蒸发出的物质在太阳的辐射压力和太阳风的作用之下，被“吹”向背着太阳的方向，形成著名的“彗尾”现象。彗星越走近太阳，彗尾就越长，可长达上亿里。,大学物理,苏梅克列维9号”彗星撞击木星事件。 1994年7月17日至22日.早在事件发生的一年前就观测到了这颗彗星并预言了撞
26、击时间，随后哈勃空间望远镜又发现这颗彗星分裂形成首尾相距16万千米的22块碎片。正如预测一样，撞击事件准时发生。在历时5天的过程中，彗星碎片以约每秒60千米的高速陆续撞上木星，其时木星上空霹雳轰鸣，出现剧烈的爆炸和闪光。撞击还在木星大气中留下了醒目的黑斑，撞击过程中释放的总能量相当于几十万亿吨黄色炸药的爆炸威力。,大学物理,流星和陨星,在晴朗的夜空里，有时会看见一道明亮的闪光划破天幕，飞流而逝，这就是人们常见的流星现象。 在太阳系的广袤空间中，布满了无数的尘埃般的小天 体 流星体，当它们以高速闯入地球大气后， 与大气产生摩擦，形成灼热发光现象，称作“流星”。 由于流星体一般很小，大多数流星在大
27、气高层中都烧毁气化了；也有少数大流星，在大气中没燃烧尽 ，落到地面的残骸就称为“陨星”，也叫“陨石”。 有陨石，陨铁，陨冰等。,大学物理,通常情况下，流星好像夜空中的“散兵游勇”，完全随机地出现于各个方位。也有常常成群出现的流星群，它们有十分明显的规律性，出现在大致固定的日期、同样的天区范围，所以又叫周期流星。流星群是一群轨道大致相同的流星体，当冲入地球大气时，成为十分美丽壮观的流星雨，成千上万的流星宛如节日礼花一般从天空中某一点附近迸发出来，这一点就叫做辐射点。例如1833年11月的狮子座流星雨，那是历史上最为壮观的一次大流星雨，每小时下落的流星数达35000之多。,大学物理,大学物理,大学
28、物理,太阳系的边界？柯伊伯带天体。柯伊伯带类木行星外面第二个小行星环带，冥王星和冥卫也是其中的成员。柯伊伯带延伸到离太阳50个天文单位，太阳风粒 子，最远能达到100个天文单位。日球太阳风粒子分布构成的球，其边界叫“太阳风层”。离日球更远的地方，最外层的太阳系物质叫“奥尔特彗星云”。,大学物理,大学物理,太阳系物质六重界限：,1.4颗类地行星 2.小行星带 3.4颗类木行星 4.柯伊伯带 5.日球太阳风到达的区域 6.奥尔特彗星云,大学物理,习题：什么是行星，什么是恒星?区别在哪里?太阳系八大行星运行特点是什么?类地行星、类木行星各自的共性是什么? 为什么日食和月食不是每月发生？太阳活动的周期
29、性主要表现在哪里？,大学物理,据新华社电 继12月5日、7日太阳发生两次X级耀斑爆发及多次M级爆发之后，12月13日北京时间10时40分前后，太阳又发生一次X3级猛烈爆发。这次耀斑爆发对我国的短波无线电信号传播造成严重影响，短波通信、广播、探测等电子信息系统发生大面积中断或受到较长时间的严重干扰。中国电波传播研究所广州、海南、重庆等电波观测站的短波探测信号从10时20分左右起发生全波段中断，直至11时15分以后才逐步出现信号，13时30分以后才基本恢复正常。 “太阳风暴”是太阳因能量增加向空间释放出的大量高速运行的带电粒子流，通常以每小时150万到300万公里的速度闯入太空，会对地球的空间环境产生巨大的冲击。专家表示，“太阳风暴”对人体健康、情绪的影响不大，但对紫外线流量的影响可能对人体皮肤有一定影响。,大学物理,大学物理,本年度最具观赏性的流星雨将出现在12月13日晚上。这对那些天文爱好者来说无疑是一个盼望已久的好消息，因为今年出现的几次流星雨的效果都不令人满意。在12月13日午夜的几个小时，双子座流星雨将以每分钟一颗或更多的数目划过夜空。流星雨专家比尔库克说：“我认为双子座流星雨将是今年最好的一次流星雨。因为在它 划过地球上空时正好没有月光，没有了月光的影响，这为流星雨的观察创造了绝佳的条件，不过由于流星雨发生的时刻是在午夜，气温很低，观察者应该多穿些衣服。”,
