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心宇天文社第一次讲义


心宇天文社

Heart’in Cosmos Club of Astronomy

心宇天文社,是一中成立最早的四社 之一。社团活动包括观星、天文知识讲座讲 座、天文纪录片观看、天文电影欣赏、天文 书籍销售等。每期心闻校刊上都会有天文社 的文章发表。 天文社努力为一中的天文爱好者提供一 个交流的平台,向对天文感兴趣的同学传授 天文知识,并组织同学们报名每年的全国天 文竞赛,致力于让每一个爱好天文的同学都 在这里有所收获。
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天文学的含义
天文学是研究宇宙内所有天体和 散布其中的一切物质的起源、演化、 组成、距离和运动的科学,主要通过 观测天体发射到地球的辐射,发现并 测量它们的位置、探索它们的运动规 律、研究它们的物理性质、化学组成、 内部结构、能量来源及其演化规律 。
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天文学的分类
天体测量学 天体力学 天体物理学

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天体测量学是天文学中最先发展起来 天体测量学 的一个分支。其主要任务是研究和测定天 体的位置和运动,建立基本参考坐标系和 确定地面点的坐标。 天体力学是研究天体运动和天体形状 天体力学 的科学,以万有引力定律为基础。 天体物理学主要研究包括作为整体的 天体物理学 宇宙在内的各种天体的性质和结构。
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天文学的历史
四大文明古国 古希腊时期 中世纪和欧洲近代 十八、十九世纪 二十世纪至今
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古埃及
古埃及是四大文明古国之一,典型的 水力帝国。受宗教影响极大,举世闻名的 金字塔就是古埃及人对永恒观念的一种崇 拜产物,也是法老王的陵墓,目前埃及共 有八十余座金字塔,其中最大的一座是胡 夫金字塔。除了金字塔以外,狮身人面像、 木乃伊也是埃及的象征。

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古埃及拥有相当水准的天文学知识,天 文学观测和记录由祭司负责,他们通过观测 太阳和大犬座α星(即天狼星)的运行制定历 法,即科普特历。古埃及使用太阳历的做法 是世界上最早的,这种日历和我们今天所使 用的差不多。古埃及人把一年分为3个季节, 每季4个月,他们还发明了水钟及日晷(即以 太阳的倒影来计时)这两种计时器,把每天 分为24小时。古埃及人把黄道恒星和星座分 为36组,在历法中加入旬星,一旬为10天, 这与中国农历的旬的概念类似。
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两河流域
美索不达米亚文明是世界发源最早的 文明之一(又称两河文明)发源于底格里 斯河和幼发拉底河之间的流域──苏美尔地 区(中下游地区)。美索不达米亚是古巴 比伦的所在,在今伊拉克共和国境内。

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两河文明的历法很有特色。在苏美尔 阿卡德时代,制定了太阴历,以月亮的阴晴 圆缺作为计时标准,定每个月29或30天,12 个月为1年(6个月为29天,6个月为30天), 每年354天,并发明闰月,通过置闰月的办 法调整。开始依靠经验置闰,后来先后有8 年3闰和27年10闰的规定。把一小时分成60 分。在亚述时期,确定了今天星期的名称和 7天1周的规定。 在天文学方面,已经能够区别恒星和五 大行星,还观察到黄道。
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古印度
古印度(公元前2500-前1500 年),又译天竺。在其佛教、文学、 哲学、艺术、科学等,对世界文化 影响深远。 在天文学上,由于农业生产的 需要,古印度很早就创立了自己的 阴阳历。
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古中国
我国古代天文学从原始社会就开始萌芽了。公元 前24世纪的尧帝时代,就设立了专职的天文官,专门 从事“观象授时”。我国最早的天象观察,可以追溯 到好几千年以前。无论是对太阳、月亮、行星、彗星、 新星、恒星,以及日食和月食、太阳黑子、日珥、流 星雨等罕见天象,都有着悠久而丰富的记载,观察仔 细、记录精确、描述详尽、其水平之高,达到使今人 惊讶的程度,这些记载至今仍具有很高的科学价值。 这表明远在公元前14世纪时,我们祖先的天文学已很 发达了。举世公认,我国有世界上最早最完整的天象 记载。我国是欧洲文艺复兴以前天文现象最精确的观 测者和记录的最好保存者。
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古希腊(公元前800年 - 公元前146年), 起源于欧洲南部,地中海的东北部,包括 今巴尔干半岛南部、小亚细亚半岛西岸和 爱琴海中的许多小岛。公元前5、6世纪, 特别是希波战争以后,经济生活高度繁荣, 产生了光辉灿烂的希腊文化,因此古希腊 人在哲学思想、历史、建筑、文学、戏剧、 雕塑等诸多方面有很深的造诣。这一文明 遗产在古希腊灭亡后,被古罗马人延续下 去,进而成为整个西方文明的精神源泉。
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古希腊

在希腊化时期产生四位著名的天文学家,他 们的研究成就影响深远。 第一位是被誉为“希腊化时代的哥白尼” 的天文学家阿里斯塔克(310—230 BC),他 第一个尝试测量地球和太阳之间的距离, 并正确提出地球的面积小于太阳,他甚至 天才地提出太阳中心说,认识到地球和行 星围绕太阳旋转并进行自转。

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第二位是埃拉托色尼,他是历史上第 一个用正确的数学方法准确测出地球周长 和直径,通过观察太阳高度的变化测量出 黄道倾角的人,其测出的地球周长只比今 测赤道周长少 385.13公里。同时,埃拉托 色尼也是首先使用“地理学”名称的人, 从此代替传统的“地方志”,写成了三卷 专著。埃拉托色尼还用经纬网绘制地图, 最早把物理学的原理与数学方法相结合, 创立了数理地理学。
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第三位是毕迪尼亚的希帕库斯, 作为“方位天文学之父”的他发明了 “天文数”概念,发现了岁差现象, 编造了西方历史上第一个记载恒星的 星表,并测定了上千座恒星并划亮度, 算出月球直径及其与地球距离的近似 值。

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第四位是对后世影响很大 的天文学家——托勒密 托勒密,古希 托勒密 腊天文学家、地理学家和光学 家。托勒密写下了一系列科学 著作,他创立的地球中心说主 张地球处于宇宙中心,且静止 不动,日、月、行星和恒星均 环绕地球运行。托勒密这个不 反映宇宙实际结构的数学图景, 却较为完满的解释了当时观测 到的行星运动情况,并取得了 航海上的实用价值,并代表希 腊天文学和宇宙学思想的顶峰。 在以后近两千年内,托勒密学 说被奉为天文学的“圣经”。
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中世纪和欧洲近代

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浑天仪是浑仪和浑 浑天仪 象的总称。浑天仪浑仪 是测量天体球面坐标的 一种仪器,而浑象是古 代用来演示天象的仪表。 它们是我国东汉天文学 家张衡所制的。浑仪模 仿肉眼所见的天球形状, 把仪器制成多个同心圆 环,整体看犹如一个圆 球,然后通过可绕中心 旋转的窥管观测天体。
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玛雅古天文台

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尼古拉?哥白尼 哥白尼1473年 哥白尼 出生于波兰。40岁时,哥白 尼提出了日心说,并经过长 年的观察和计算完成他的伟 大著作《天体运行论》。为 《天体运行论》 了防止教会的迫害,这本巨 著直至他去世时才正式出版。 哥白尼的“日心说”沉重地 打击了教会的宇宙观,这是 唯物主义和唯心主义斗争的 伟大胜利。哥白尼是欧洲文 艺复兴时期的一位巨人。他 用毕生的精力去研究天文学, 为后世留下了宝贵的遗产。
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伽利略?伽利雷(1564伽利略 1642),他是近代实验科学 的先驱者,是意大利文艺复兴 后期伟大的天文学家、力学家、 哲学家、物理学家、数学家。 也是近代实验物理学的开拓者, 被誉为“近代科学之父”。 他首先提出并证明了同物质同 形状的两个重量不同的物体下 降速度一样快,他反对教会的 陈规旧俗,由此,他晚年受到 教会迫害,并被终身监禁。他 以系统的实验和观察推翻了亚 里士多德诸多观点。因此,他 被称为“近代科学之父”“现 代观测天文学之父” 、“现 代物理学之父”。他的工作, 为牛顿的理论体系的建立奠定 了基础。

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开普勒(1571开普勒 1630)是德国著名的 天体物理学家、数学 家、哲学家。他首先 把力学的概念引进天 文学,他还是现代光 学的奠基人,制作了 著名的开普勒望远镜。 他发现了行星运动三 大定律,为哥白尼创 立的“太阳中心说” 提供了最为有力的证 据。他被后世誉为 “天空的立法者”。

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开普勒三定律
开普勒第一定律,也称椭圆定律;也 称轨道定律:每一个行星都沿各自的 椭圆 轨道环绕太阳,而太阳则处在椭圆的一个 焦点中。 开普勒第二定律,也称面积定律:在 相等时间内,太阳和运动中的行星的连线 (向量半径)所扫过的面积都是相等的。 开普勒第三定律,也称调和定律;也 称周期定律:各个行星绕太阳公转周期的 平方和它们的椭圆轨道的半长轴的立方成 正比。

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牛顿(1643-1727), 是一位英国物理学家、数 学家、天文学家、自然哲 学家和炼金术士。他在 1687年发表的论文《自然 哲学的数学原理》里,对 万有引力和三大运动定律 进行了描述。在光学上, 他发明了反射式望远镜, 并基于对三棱镜将白光发 散成可见光谱的观察,发 展出了颜色理论。 在数学 上,牛顿发展出了与莱布 尼茨不同的微积分学。
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牛顿式反射望远镜
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英国诗人亚历山大· 英国诗人亚历山大·波普:自然和自然 规律隐藏在黑暗之中。 上帝说:让牛顿去吧!于是世界到处 充满光明。

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十八、十九世纪

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光谱
光谱(Spectrum)是复色光经过色散 系统(如棱镜、光栅)分光后,被色散开 的单色光按波长(或频率)大小而依次排 列的图案,全称为光学频谱。光谱中最大 的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见 的一部分,在这个波长范围内的电磁辐射 被称作可见光。光谱并没有包含人类大脑 视觉所能区别的所有颜色,譬如褐色和粉 红色。由于每种原子都有自己的特征谱线, 因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的 化学组成.这种方法叫做光谱分析.
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红移
红移在物理学和天文学 领域,指物体的电磁辐射由 于某种原因波长增加的现象, 在可见光波段,表现为光谱 的谱线朝红端移动了一段距 离,即波长变长、频率降低。 红移的现象目前多用于天体 的移动及规律的预测上。
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在19世纪80年代以前,所有的小行 星都是用目视方法发现的,观察者仔细 地把望远镜视场中的每一颗星与事先准 备好的星图相对比,寻找那些星图中没 有的、缓慢移动着的亮点。最后通过一 段时间的定位观测,用天体力学定出它 的轨道后,确定下一颗新的小行星。

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二十世纪至今

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赫 罗 图

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射电望远镜 (Radio Telescope) 是指观测和研究来自 天体的射电波的基本 设备,可以测量天体 射电的强度、频谱及 偏振等量。包括收集 射电波的定向天线, 放大射电信号的高灵 敏度接收机,信息记 录﹑处理和显示系统 等。
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乔治·伽莫夫 (G.Gamov,1904-1968) 是俄国著名的物理学家和 天文学家。1928-1932年 先后在丹麦的哥本哈根大 学和英国剑桥大学师从著 名物理学家玻尔和卢瑟福 从事研究工作。他早年在 核物理研究中取得出色成 绩,1940年代,伽莫夫 与他的学生——拉尔 夫·阿尔菲一道,将相对 论引入宇宙学,提出了大 爆炸宇宙学模型。
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“大爆炸宇宙论” 大爆炸宇宙论”
“大爆炸宇宙论”认为:宇宙 是由一个致密炽热的奇点于137亿 是由一个致密炽热的奇点于137亿 年前一次大爆炸后膨胀形成的。 1929年,美国天文学家哈勃提出 1929年,美国天文学家哈勃提出 星系的红移量与星系间的距离成正 比的哈勃定律,并推导出星系都在 互相远离的宇宙膨胀说。
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宇宙微波背景辐射
宇宙微波背景辐射(又称3K背景辐射) 是一种充满整个宇宙的电磁辐射。特征和 绝对温标2.725K的黑体辐射相同。频率属 于微波范围。宇宙微波背景辐射产生于大 爆炸后的三十万年.大爆炸宇宙学说认为, 发生大爆炸时,初始宇宙的温度是极高的, 在之后慢慢降温,直到现在约150亿年后, 大约还残留着3K左右的热辐射。
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