《地球概论》实验指导书

地球概论实验指导书地球概论实验指导书

一、实验目的与基本要求地球概论是高等师范院校地理专业的一门必修基础课和GIS专业选修课。该课程主要是从行星的角度和整体的观点来研究地球及其所处的宇宙环境，可以认为是天文学与地学的交叉学科。由于其中的一些知识相对较为抽象，安排适当的课程实验将有助于学生更好地理解概念、掌握理论，同时也有助于培养学生的动手操作能力，将所学的理论与实际联系起来。实验要求学生在掌握理论知识的同时，掌握主要天文仪器的原理与操作，熟悉相关软件的使用，进行简单的天文观测和摄影，从而验证、深化、运用和巩固课堂所学理论。

二、主要使用的仪器设备天球仪、天文望远镜、活动星图、激光笔、电脑等。

三、主要实验项目实验1天球仪的使用

一、实验内容

1、观察天球仪的结构，掌握天球仪的使用操作；

2、在天球仪上直接求算天体位置；

3、演示天球的周日周年视运动

二、实验目的

1、了解天球仪的基本构造；

2、了解主要天球坐标和天体的相对位置；

3、学会在天球仪上求解一些简单的天文问题

三、实验原理天球仪是用来表述各种天体坐标和演示天体视运动的天球模型，它将主要天体的视位置投影到球面上，而使其与实际星空相吻合。因此，天球仪可作为缩小了的星空，一幅立体星图。用天球仪可以演示天体的视运动和任意日期与时刻的星空，帮助初学者认星，了解星空变化的规律，还可以在上面直接读取各种天球坐标值，进行不同坐标系统之间的换算，并求解其它有关球面天文学的问题。天球仪用途非常广泛，是开展地球概论课程教学和普及天文知识必备的科教仪器。

1、天球仪的结构的认识天球仪主要由天球、子午圈、地平圈和支架四部分组成，如图A1.1所示。图中，天球；子午圈；天赤道；黄道；地平圈；竖环；底座；螺旋。图A1.1天球仪构造示意(1)天球天球是天球仪的主体部分。球体的直径根据需要而定。大型天球仪观测者可以进入球内进行观测，通常使用的天球仪直径约30厘米，只能从球外向里观测。天球可以绕一根贯穿圆球中心的轴旋转，这个轴称为天轴，天轴两端有轴承，装在子午线圈上，用以支持天球的旋转。球面上绘有国际通用的和4等以上的主要亮星，其中著名的亮星注有中文专名。除此之外，球面上还绘有天赤道、赤纬圈、赤经圈和黄道等基圈和辅圈。其中，天球正中的大圆是天赤道，每隔1时(即15)有一条赤经线与天赤道垂直，赤经线的经度值标注在天赤道上。和天赤道平行的小圆是赤纬圈，间距为10，赤纬值也标明在赤纬圈上。和天赤道斜交约2326的大圆为黄道，其上标有黄经和日期，表示一年中太阳在黄道上的位置。因此，可在天球仪上读取任一天体的赤道坐标和黄道坐标。此外，天球上还绘有一些特殊的点(如天南XX和天北XX、黄北XX和黄南XX、春分点及秋分点)，以及部分图形、肉眼可见的星团和星云及银河等。(2)子午圈子午圈是通过天极固定在天球上并与天赤道垂直的大圆，子午圈与天赤道正交，上面刻有自天赤道到两极090的刻度，刻度数值与赤纬圈的度数相对应，可以在子午圈上读取任意天体的赤纬。子午圈的最高点是天顶，与之对应的最低点是天底。天顶和天底连线即测点的铅垂线。天子午圈决定了正南正北的方向原点，是量度方位的基准。子午圈为地平坐标和赤道坐标所共有，据此可进行两种坐标之间的换算。(3)地平圈天球仪上宽边的水平圆环代表地平圈，固定在支架的竖环上，并和竖环垂直，可以读取任意天体中天时的高度。地平圈与子午圈交于南、北两点，与天赤道交于东、西两点，合称四方点，代表地平的四个方位。地平圈上自南点起，由东向西标有从0360的刻度，表示地平经度(方位角)。(4)支架支架包括竖环和底座两部分。半圆竖环是支架的中坚部分，它既固定地平圈，又支持子午圈，并且还与支架的底座相连，从而使天球仪连成一个整体。底座支点向上延伸的方向线即是观测点的沿垂线，它与天球面交于天底和天顶两点。

2、天球仪的校正天球仪的校正，包括纬度、方位和时间三项校正。校正后，显示在天球仪地平圈之上的部分就是当时当地所见的实际星空，就可以按图索骥，进行观测。(1)纬度校正凡是与观测地点有关的问题，都必须对天球仪进行纬度的校正。因为天极的地平高度等于观测地的地理纬度，所以，只要转动子午圈，使仰极在北点(或南点)的高度等于当地的地理纬度，这就能使天球仪正确显示地面上某点的观测者所见的星空。(2)方位校正对天球仪进行纬度校正后，移动天球仪，使天球仪上的方位与当地的实际方位相重合，即使地平圈上所注的东南西北四个正方位和当地实际方位相符合。这样，天球仪上所显示的星空就与当地的实际星空相一致了。(3)时间校正由于星空除随观测地点而异外，还随观测时间而变化。若需讨论具体时刻的天象，还必须对观测时刻进行时间校正。要使天球仪上的星空与观测时间的星空相符合，首先在黄道上找到当日视太阳的位置，并将当日视太阳置于午圈下(此时即显示该日正午的星空)，然后按照正午前一小时向东转15，正午后一小时向西转15的比例，转动天球仪，调整到观测时刻。此时，出现在地平圈以上的星空，就是当地可观测的星空。如果观测时刻是地方恒星时，先将春分点置于午圈之下，在天赤道上找到与给定的观测时刻相对应的赤经数，然后按天球仪转动到该时刻经线与午圈重合即可。如果观测时刻是地方视时，先在黄道上确定当日太阳的位置，然后将太阳置于午圈之下。假如地方视时小于12h，向东转动天球仪，转动的时间角度等于12h减地方视时；假如地方视时大于12h，向西转动天球仪，转动的时间角度等于地方视时减12h的差值。如果观测的时刻是地方平时，那么要根据时差校正视时，再按照上面的方法校正。如果是“北京时间”，那么要根据经度差校正为地方平时，再校正为视时，最后按照上述方法天球仪主要由天球、子午圈、地平圈和支架四部分组成正。

四、实验操作指导

1、利用天球仪求算天体的位置本实验提示1：在使用天球仪求算天体位置及求解相关天文问题时，必须将天球仪调整到与观察者坐标系统相符合的位置，即进行天球仪的校正。(1)读取恒星赤经和赤纬的近似值在天球仪上找到所要确定的恒星。将它转到午圈的下面，在天赤道上读出它的赤经值，在午圈上读出它的赤纬值。(2)已知赤经和赤纬找出某恒星按已知赤经值在天赤道上找出它所在的赤经线，转动天球仪，使其位于午圈下边。在午圈上找出已知赤纬度数，则刻度下边的星就是要找的某星。本实验提示2：在天球仪上找已知的赤纬值时，如遇非整赤经线可以采用内插法加以确定，赤经亦同，从而能够确定所求恒星的大致位置。在求解类似的天文问题时，也可以采用这一方法。(3)读取某日的太阳黄经、赤经和赤纬的近似值在黄道上找到某日的点，该点即太阳某日在天球上的视位置，就可直接在黄道上读出太阳的黄经值。按读取恒星赤经、赤纬的方法读得太阳的赤经和赤纬。(4)量度两星间的角距离张开圆规两脚对准要量度的两颗星。将两脚移到天赤道或黄道上，即可读出两星间的角距离。(5)已知纬度，求某恒星时某恒星的地平高度和方位角按照当地纬度调整天极高度。按照所给恒星时做天球仪时间校正，将星空固定，找到所求恒星。确定天顶位置，用细绳连接天顶和恒星并与地平圈相交，在地平圈上的方位刻度，就是其方位角；同时用两脚规量出此刻度处至该星的角度，就是地平高度。本实验提示3：例如，求在重庆(2936N)地方恒星时7h50m时，天狼星的地平高度(h)和方位角()各是多少？解：按照纬度和地方恒星时对天球仪进行校正后，利用细绳和两脚规，求得天狼星的地平高度大约为41，方位角约为21。(6)已知恒星时，求该时刻某一恒星的时角将天球仪做时间校正，并使天球仪固定不动。找到所求恒星，其赤经线与午圈在赤道上所夹的弧段即为该星的时角。本实验提示4：求恒星时时刻某一恒星的时角，实际上就是求该时刻某恒星在天球上的位置与午圈之间的角距离。本实验提示5：例如，要求地方恒星时为7h50m和4h20m时天狼星的时角时，可进行如下操作：将春分点从午圈起向西转7h50m(即7h50m赤经圈与午圈重合)。这时，天狼星的赤经线与午圈的夹角即为它的时角，约1h09m。同样地，将春分点从午圈起向西转4h20m，可读得天狼星的时角约21h39m。该例表明，在天球仪可以求解赤道坐标和时间坐标之间相互转化的问题，这种相互转化是以观测的地方恒星时为纽带的。(7)求某地某日太阳出没时刻和出没方位、上中天高度和昼夜时间长度按照已知点的地理纬度调整天极高度。在黄道上确定某日太阳所在的位置。将该日太阳置于午圈之下，在午圈上读出太阳的上中天高度。转动天球仪，使太阳位于地平圈上，此时太阳位置即日出点(在东方)或日没点(在西方)。这两点的方位角，即为日出(或日没)的方位角。从天赤道上计算日出点在天赤道上的投影与午圈之间的间隔时数，即上午时间长度，将其乘以2即可得到昼长。12h减去上午时间长度，即为日出的地方视时，再加上上午时间长度，便可得出日没的地方视时，经过时差和经度差的改正后，可得太阳出没的标准时。

2、利用天球仪验证天体视运动(1)天体周日视运动经过纬度订正以后，即可在天球仪上演示天体在当地周日运动的一般情况。绕转时，要摆正天球仪方位，使天球缓慢转动。可选取几个特殊纬度(如90)和几个恒星作为代表说明问题。本实验提示6：由于观测者是在天球外观察天球仪所演示的天象，因此用天球仪所模拟的天象与观测者实际从天空中看到的天象是相反的，但这并不影响利用天球仪验证天体视运动等作用。本实验提示7：在天球仪上演示天体周日视运动时，由于地球自转方向为自西向东，因此在地平圈上要使天球绕天轴往西方向旋转。(2)天体周年视运动四季星空变化在黄道上任取一点(如春分点)贴上红橡皮泥，作为第一天的太阳视位置，并把它转到子圈位置(下中天位置)。在午圈下面天球上贴上另一颜色橡皮泥表示某颗恒星，表明子夜时该星位于午圈上。太阳在黄道上每天东移1的演示，在黄道上原太阳以东再贴上红色的橡皮泥表示第二天的太阳的位置。本实验提示8：四季星空变化是地球公转运动(也可认为是太阳周年视运动)造成的。在天球仪上模拟四季星空变化时，将太阳在黄道上每天东移1，其原理在于恒星在天球上相对太阳的运动每日西移1，一年大约移动360，回到了原来位置，完成一年四季的星空变化。然而，为了提高演示的效果，在实际操作中可以将这个量放大，以便更好地观察实验现象。把第二天的太阳的视位置再转到子圈位置，可以看到第一天子夜时刻位于子圈上的恒星已经明显向西偏离了。图A1.2天球仪构造示意使太阳前后两次的太阳视位置依次相距90、180、270、360，作同样的演示，四季星空变化就很清楚了。

五、实验练习

1、天球仪由天球、地平圈、子午圈和支架四部分组成，如图A1.2。请加以标示：1_2_3_4_

2、利用天球仪，求解下列各星的赤经、赤纬的近似值。星名赤经赤纬星名赤经赤纬御夫(五车二)天蝎(心宿二)狮子(轩辕十四)天鹅(天津四)室女(角宿一)南鱼(北落狮门)

3、在天球仪上找出下表中给定的赤经和赤纬，并将所对应的恒星名称填入表格。赤经04h35m05h14m07h38m07h44m19h50m20h41m赤纬XXX494512恒星名

4、利用天球仪填写太阳在下列日期的赤经和赤纬。日期3月21日6月22日9月23日12月22日赤经赤纬

5、求出福州在夏至日(6月22日)和冬至日(12月22日)日出和日没时刻(北京时)、方位、正午太阳高度和昼长。实验2四季星空

一、实验内容

1、活动星图的使用；

2、认识四季星空中主要和亮星

二、实验目的

1、掌握活动星图的使用用法；

2、认识四季星空中主要的和亮星及其相对位置，对星空分布格局有宏观上的了解

三、实验原理

1、活动星图使用活动星图，又称旋转星图，是观测星空常使用到的方便、快捷的工具。活动星图一般较售价低廉，且能够显示出不少，又方便携带，因而适合初学认星的天好者用于认星，是他们进行文天观测最基本的辅助工具之一。图A2.1活动星图活动星图是根据太阳的周年视运动和天球的周日旋转，把赤道坐标系和地平坐标系联系在一起，并使前者绕着天北极相对于后者转动而制作的。活动星图是由一个可转动的底座(下盘，也称)与一个带椭圆开口与时间刻度的圆盘(上盘，也称地盘)组成，如图A2.1。(下盘)是一幅天球的极投影展示图。盘心为天北极，盘上绘有赤经、赤纬网。盘的周边有以时间为单位的赤经标度和月份、日期的刻度。一般主要绘有赤纬在6590范围的国际通用60个，星点的大小表示星的视星等。上还标有中国传统的二十八宿的名称和位置，以及太阳的周年视运动轨迹黄道，并注明了太阳在黄道上的日期。盘上两条点线所划定的区域，表示银河分布的大致范围。地盘(上盘)绘有指定地理纬度的地平坐标网(透明)图，并注有方位和高度(每隔10一条)。它有一个透明的椭圆形窗口，即为观测者所见的天空范围。盘的周边绘有时间刻度(表示观测点的地方视时)。因而，在选用活动星图范围时，使用者应注意观测地的纬度。使用时，旋转底盘，使底盘上的日期和上盘上的时间正好与观测的日期和时刻相吻合，此时上盘地平圈透明窗口内显露出来的部分星象即为当时可见的星空。把活动星图举过头顶，使星图上的南北方向同大自然的南北方向一致，这样就可以按图所示去辨认了。此外，活动星图还可以帮助我们了解出现的时间和位置、太阳出没的时刻及方位等。例：春季星空的主要是狮子，它的主要时间是4月15日21时左右在我们头顶上方。首先把星图置于头顶，进行方位的校正，使图上表明的方位和实际方位相同，转动外圈找到4月15日，然后转动里圈，对准21时，在椭圆窗口找到对应的观测地理纬度，在此区域内的即为能够观测到的星空。我们可以看到，狮子就在我们的头顶上方，还可以看到牧夫(有很壮观的大角星)、大熊以及黄道室女座。

2、认识主要和亮星(1)为了辨认满天群星，人们用想象的线条将各星连接起来，构成各种各样的图形，或把某一块星空划分成若干区域，予以命名。这样，便可对其进行讲述和记录，认识星星自然就容易多了。这些图形连同它们所在的天空区域，称为。在西方，大约起源于公元前3000年左右，到公元2世纪，北天的雏形已由古XX天文学家大体确定了下来，并以许多神话、传说给这些命名。1922年，国际天文学会把的名称作了统一的界定，规定全天有88个，里的恒星用希腊字母和数字标出。北天：小熊座、天龙座、仙王座、仙后座、鹿豹座、大熊座、猎犬座、牧夫座、北冕座、武仙座、天琴座、天鹅座、蝎虎座、仙女座、英仙座、御夫座、XX座、小狮座、后发座、巨蛇座、盾牌座、天鹰座、天箭座、狐狸座、海豚座、小马座、三角座、飞马座、蛇夫座黄道带：双鱼座、白羊座、金牛座、双子座、巨蟹座、狮子座、室女座、天秤座、天蝎座、人马座、摩羯座、宝瓶座南天：鲸鱼座、波江座、猎户座、麒麟座、小犬座、长蛇座、六分仪座、巨爵座、乌鸦座、豺狼座、南冕座、显微镜座、天坛座、望远镜座、印第安座、天燕座、凤凰座、时钟座、绘架座、船帆座、南冕座、圆规座、南三角座、孔雀座、南鱼座、玉夫座、天炉座、雕具座、天兔座、天鸽座、大犬座、船尾座、罗盘座、唧筒座、半人马座、矩尺座、杜鹃座、网罟座、剑鱼座、飞鱼座、船底座、苍蝇座、南XX座、水蛇座、山案座、蝘蜓座、天鹤座古代天文学家为了表达太阳在黄道上所处的位置而将黄道这个大圆划分为12段，称为黄道XX，每宫占30度，又将黄道XX和黄道附近的12个联系起来，如白羊座所在的那个宫称为白羊宫。由于岁差运动，黄道XX和12个黄道渐渐错开，如今白羊宫已和双鱼座重合在一起。对待的态度上，天文学和学各行其道，天文学是观测和研究天体、探索宇宙奥妙的一门科学；学是利用和天象来决定人的命运的神秘信仰。(2)四大星区为了对全天分布大势有全局认识，将星空按赤经划分为四大星区。每一星区跨赤经6h，各以其拱极或著名命名，从0h赤经线开始，自西向东依次为仙后星区、御夫星区、大熊星区、天琴星区，简称“后、御、熊、琴”。四大星区的主要和亮星的特征于表A2.1。(3)主要和主要亮星一年中的任何季节都适宜观星，只是不同季节的出没情况不同。这里以北半球为例分述不同季节天空的主要(图A2.2)。表A2.1四大星区、主要、亮星及特征星区亮星及主要特征仙后星区(后)仙后座形似字母W，利用它可找到北XX星仙女座三颗亮星排列成一条直线飞马座呈一大四边形(东北一隅属仙女座)，四边形的东边向北延伸，直指北XX星南鱼座南鱼座(中名北落师门)是本区惟一的一颗一等星，沿飞马座四边形的西边向南延伸，即可找到。它的位置偏南、离地平较低，附近星稀，西方有“海角孤星”之称御夫星区(御)御夫座明显的五边形。我国古代称“五车”。主星(五车二)是北天主要亮星金牛座著名黄道，有一簇呈V字形的星群(毕星团)、主星(毕宿五)位于V字一端是红色亮星。V字的西北有的昴星团，俗称“七姊妹”(正常视力只能见六颗)猎户座全天最壮丽的、横跨天赤道，世界各地都能见到。它由二颗一等星(参宿四和参宿七)和五颗二等星组成。有“参宿七星明烛宵、两肩两足三为腰”之说。中部三颗合称参宿三星，位于天赤道上。参宿三星东南有一肉眼可见亮星云(猎户大星云)、距离1500光年大犬座形如砍刀。主星(天狼)是全天最明亮的恒星小犬座星数很少。主星(南河三)是著名的一等星。它同参宿四和天狼星构成一个等边三角形双子座黄道。成两行排列。亮星有(北XX二)和(北XX三)、后者是一等星大熊星区(熊)大熊座北天最著名。七颗亮星排成“熨斗”形状，故称“北斗”。可用它的两颗指极星(天枢、天璇)来找北极星。民谚：“识得北斗，天下好走”牧夫座形如风筝。也像一条倒挂的领带。主星(大角)是北天头等亮星。正处在北斗七星柄的自然延伸线上狮子座黄道著名。形如雄狮。由头部的“镰刀”和尾部的三角形组成。主星(轩辕十四)是一等星，位于镰刀柄端，位于黄道上室女座黄道。呈不规则的土字形。主星(角宿一)是一等星。南北两角(大角和角宿一)同轩辕十四，构成一个巨大的直角三角形天琴星区(琴)天琴座范围很小，主星(织女)是北天头等亮星。织女有四颗暗星组成一个菱形，是传说中织女用以织布的“梭子”天鹰座近天赤道和银河。主星(牛郎)中名河鼓二。它与西侧的二颗暗星组成“牛郎三星”。民间俗称“扁担星”。与织女星隔河相望天鹅座呈一明显的“十字形”。整个位于银河中。主星(天津四)是一等星。我国古代称此为“天津”(意即渡船)天蝎座著名黄道。形如张着两螯的巨蝎。主星(心宿二)是红色亮星，古称“大火”。心宿二与两侧的两颗暗星合称“心宿三星”人马座位于银河最明亮部分。是银河中心方向所在。东部六星组成“南斗”图A2.2四瓣简明星图春季星空：春季出现的主要有狮子、御夫、猎户、牧夫、室女等，如图FL1.5。在天顶以北，大熊座正在子午圈上，北斗七星当空高悬，几乎靠近天顶，斗柄指向东方，沿着勺的两颗星向北约五倍远可以找到北极星，它是小熊座星，中名勾陈一。沿着斗柄连成的曲线延长出去，可以找到大角星；它是牧夫座的最亮的星、在东方半空中闪耀着橙色的光辉。把斗柄的曲线从大角星再延长一倍，可以找到另一颗一等星角宿一，它是室女座的星。这条始于斗柄而止于角宿一的大弧线，称为春季大曲线。天顶附近有亮星北河三(双子座)、南河三(小犬座)。狮子座最引人注目，初春的黄昏它便出现在东方。它的最亮星叫轩辕十四，位于黄道上。春季观星的对应时刻为4月5日23时、4月20日22时、5月5日21时、5月20日20时。夏季星空：夏季出现的主要有牧夫、武仙、天琴、天鹰、天鹅、天蝎、人马、室女等，如图FL1.6。夏夜的星空，银河横贯南北，气势磅礴，最引人注目的是银河一带的几个，织女星和牛郎星在银河两岸放射光芒，织女星是天琴座星，牛郎星天鹰座星(也叫河鼓二)。在它们附近的银河中，有一个大而明显的天鹅座星，中名天津四，它和牛郎星、织女星构成夏季大三角形。从天琴座、武仙座传到南方是最注目的天蝎座，主星心宿二，是红色一等星，古称“大火”。在心宿二正东面黄道上，是人马座，它是银河坐标系的起始位置。辨认时，可先找银河，再找位于银河最密处的人马座。夏季观星的对应时刻为7月5日23时、7月20日22时、8月5日21时、8月20日20时。图A2.3春季星空图A2.4夏季星空秋季星空：秋季星空出现的主要有天琴、天鹅、仙女、飞马、仙后、天鹰、天蝎、人马、南鱼等，如图FL1.7。秋夜星空亮星较少，星空相对寂寥，最引人注意的是出现在高空的飞马座，它的大四边形由、和仙女座的星组成著名的秋季四边形。秋季观星的对应时刻为10月5日23时、10月20日22时、11月5日21时、11月20日20时。冬季星空：冬季，明亮的恒星最多，主要有仙后、英仙、金牛、御夫、双子、猎户、大犬、小犬等，如图FL1.8。南面的天空要算猎户组最美丽，它外形如一长方框，斜列着三颗光星，三星排列成一直线，形如猎人的腰带，它的肩上为红色的参宿四，膝部为蓝色参宿七，腰带三星的南面有一暗光雾点象征着猎人的剑，其实是猎户座的一团星云。由猎户的腰带三星直指东南部不远就是著名的大犬座的天狼星。天狼星、参宿四和南河三形成一个等边三角形，南河三在双子座两亮星的南面。冬季观星对应时刻1月5日23时、1月20日22时、2月5日21时、2月20日20时。图A2.5秋季星空图A2.6冬季星空为了有效地认星，可事先查阅天文年历。天文年历是一种按年度出版、反映天体运动规律的历表。编算天文年历是历书天文学的任务之一。主要内容有：太阳、月球、各大行星和千百颗基本恒星在一年内不同时刻的各种精确位置；日食、月食、月掩星、行星动态、日月出没和晨昏蒙影等天象的预报；用于天体各种坐标之间换算的必要数据,如岁差和章动、光行差等。此外，还有天体物理观测历表、天然卫星历表以及辅助性用表和资料等等。这些历表和数据直接用于天文大地测量(测定地面经、纬度和方位角)、天体测量和天体物理的一些观测和计算，也为天文、地理、气象、潮汐等科学研究工作提供必要的资料。(4)星空变化规律由于地球自转，产生了星空的周日变化，即恒星在同一天中不同时刻的方位和高度有所不同。由于地球公转，产生了星空的周年变化，地球每日东移1相对于星空则每日西移1，需4分钟，一个月提前2小时，一年后重归原位。不同纬度观测者所观测到的星空区域不同，两极地方只能见到半个天球的星，赤道地区可见全天球的星。纬度越低可见的星越多。理论上，北XX某一地点只能观察到与其纬度互余的赤纬以北的恒星。

四、实验操作指导

1、利用天球仪观星天球仪经过高度校正、纬度校正、时间校正后，即与当时的实际天空一致。球心与桌面某星连线延长直至天空，天空上对应的星即为该星。本实验提示1：天球仪的使用方法在实验一中已有详细叙述，并进行了实验，在此不多加赘述，若有不明可查阅实验一中的有关内容。

2、利用星图与活动星图观星(1)利用星图观星星图是把星空中恒星的位置表示在一平面图上的图。靠近北XX和南XX的和恒星用圆形星图表示，中心是天极。从中心辐射出去的直线代表赤经圈，标有赤经的时数。以极为中心的圆圈是赤纬圈，每10一圈，从中心90到周界50。图的周边标有月份，用来对正星图方位。因地图是俯视的，而星图是仰视的，故星图的东西方向与地图相反，即星图右面是西方，左面是东方。使用时，面向北方(北极星图)举起星图将图中心正对北XX，月份向上，使星图东西方向与实际相符，然后与实际星空对比观察。靠近赤道的恒星和用条形格的星图表示，也有赤经圈、赤纬圈和月份标记。使用时，面向南方把图举到头顶，使图的东西方向与实际方向一致即可观察。(2)利用活动星图观星观察时，先使上盘的时间对准下盘的日期，使图上的方向与实际方向一致。此时，在椭圆窗口即可观察到当时的星空。本实验提示2：无论是使用星图还是活动星图模拟观星，都要将其举过头顶进行观测。使用时，注意避免通常地图“上北下南、左西右东”思维定势的影响，星图的方向应为“上北下南、左东右西”。

3、利用北斗星观测实际星空观星时，连接大熊的天璇和天枢两星，并延长到两星距离的5倍地方，有一颗二等亮星，就是北XX星。对于初学者和地理专业的学生而言，利用北斗七星观星是最方便也最为常用的方法。由于它较易辨认，且不同季节其位置方向比较容易判断，更主要的是它与其它容易建立较明确的位置关系，可由此推出其他。本实验提示3：观测实际星空时，应注意以下几点：其二，选择合适的观察点。观察点居高临下，周围没有较高大的障碍物和强烈、耀眼的灯光照射。其二，选择合适的观察时间。尽可能选择晴朗无云的夜空进行观测，夜空中最好有些月光(可以遮蔽暗黑，利于观察)，但不要在满月时进行，一般月初和月底是观星的较好时间，最好是初四至初八。其三，留心观察黄道上的，区分行星和恒星。其四，观测时最好带上手电筒，便于指星。手电筒要求明亮，聚光性较好。

五、实验练习试推算出学校所在地某日观测时刻的星空分布大势，填入以下观星记录表，并用天球仪、星图和活动星图等对所推算的结果加以验证，然后再到室外与实际星空对照，认识星空演变规律。观测日期：位置：观测时刻：北京时间：恒星时：星空观测中天星区亮星午圈以西星区亮星午圈以东星区亮星实验3天文望远镜的使用和操作

一、实验内容

1、光学望远镜的基本原理与结构；

2、光学望远镜及其附件的使用和操作

二、实验目的

1、了解光学望远镜的基本原理和结构；

2、掌握常用望远镜的使用方法，学会安装、使用、维护与保养天文望远镜

三、实验原理

1、天文望远镜的作用现代对天文望远镜的定义是收集天体辐射并形成它的像的仪器。望远镜是“特殊的眼睛”，是观测和研究天体的主要天文仪器，也是开展天文活动的基本工具之一。光学望远镜是天文研究的基本工具。所以，通常所说的望远镜如不加特别说明，一般都是指光学望远镜。它主要有成像、聚光和放大三大作用。(1)聚光作用把物镜收集到的比瞳孔直径(最大8mm)粗得多的光束送入人眼，使观测者看到原来看不见的暗弱天体。聚光能力正比于物镜的有效口径的平方(D2)，如果用口径8厘米(比瞳孔直径大10倍)的望远镜观测，它所收集的光量要比眼睛多102倍，即用这口径的望远镜看到的星比肉眼观看的亮100倍。望远镜口径越大，收集的光量越多，就能看到更暗的天体或天体的暗弱部分。(2)成像与放大天体通过望远镜聚焦成像，通过目镜加以放大，就能使人眼看清更小的细节，如果用一个放大100倍的望远镜观测天体，相当于把天体移到离原距离只0处用肉眼去观测(原来100m远的天体拉近到1m)。天体放大倍率的多少只与目镜的焦距有关，即焦距越短、图像越大；焦距越长，图像越小，而与望远镜的口径大小无关。

2、天文望远镜的安装、维护与保养(1)天文望远镜的安装任何一台天文望远镜都附有使用说明书或安装图示。在安装天文望远镜时，必须严格按照使用说明书或安装图示上的各步骤进行安装。安装过程中，务必细心谨慎。通常，可以到一些官方网站或天好者论坛中搜索一些技术与方法指导，必要时还可寻求专业人士的帮助。(2)天文望远镜的维护与保养天文望远镜是精密仪器，维护的好坏直接影响到其正常使用与寿命，因此必须要专人使用、专人保管，非专业人士不要轻易拆卸与修理。光学系统的维护保证望远镜放置在通风、干燥、洁净的地方；所有的目镜、棱镜、二次成像镜及其它小的光学零附件，不使用时应放入带干燥剂的干燥箱或干燥缸内，同时要时常注意更换新的干燥剂。在雨雪天、风沙、湿度大(超过85%)的天气均不要使用望远镜，也不要打开物镜盖，特别是对于无密封窗的反射望远镜，灰沙是最大的敌害。在南方的霉雨季节可将镜筒两头用不透气的塑料袋扎紧，内部放置袋装的干燥剂(不要接触镜头)，并注意经常替换新的干燥剂，以保持物镜的干燥。光学镜面上如有灰尘等脏物，应用吹耳球轻轻吹去，不能用嘴吹，以免唾沫溅到镜面上；也千万不要用布和硬毛刷去擦拭，以免损坏镀膜层与镜面；光学镜面上千万不要用手去摸，留下的指印往往会腐蚀镜面而造成永久性痕迹。若一旦不慎留下指印须尽快清擦，应当用无水乙醇和乙醚各50%的混合液滴在干净的脱脂纱布上，从镜面中心按顺时针或逆时针方向轻轻地向镜面边缘转擦(只能向一个方向轻擦，不能来回擦)，并不断更换脱脂棉球，直到擦净为止。望远镜镜面除平时注意保护外，应不定期的进行清洁，对透镜切勿使用有机溶剂，以免损坏增透膜；对镀铝反射镜面，尽量不要擦拭，以免铝膜受损或脱落。便携式望远镜尽量不要在雾气很重的森林边、水边及海边观测，若迫不得已必须观测的话，观测完后应尽快按上述方法擦拭一遍。反射望远镜的反射镜面应定期(一般情况下13年)进行镀膜，以保证反射镜面具有良好的反射率。大型与高档望远镜的维护与保养最好请天文单位的专业人员协助进行。转仪钟的维护望远镜的机械及跟踪系统是属于高精度的传动系统，但由于其转速较慢，一般不需要经常维护，只是要按照说明书的要求，不要过载使用并定期加入同样型号的润滑油(脂)；若润滑油(脂)的型号不同，请将原来的润滑油(脂)用煤油等清洗干净后再加入新的润滑油(脂)，注意千万不要将不同类型的润滑油(脂)混合使用。有条件的单位或个人，如能在使用几年后，请专业人员重新清洗、加油、调整，将是十分有益的。望远镜的控制系统应不定期的进行检查，使用时应严格按照说明书的要求操作，平时应防止水滴、水汽、异物进入电路部分，电池长期不用应取出保存好。电控系统的维护望远镜的电控系统因型号、功能的不同而差别甚大，但使用维护的注意点基本相同：检查输入的交流电压是否和望远镜的额定电压相同，使用直流电源时也应注意电池组或蓄电池的额定电压是否与望远镜电控要求一致；在大功率驱动电路中，请注意大功率管的散热片不要相碰短路，以免烧坏管子；所有电源或电控线不要硬拉和随意交叉，以免短路。

3、光学天文望远镜的几个重要参数物镜的口径(D)：是指有效口径，即没有被镜框遮蔽的物镜部分的直径，用D表示。它是望远镜聚光本领的主要指标。物镜收集天体辐射能力与它的面积成正比，所以，D越大，看到的星就越亮，且能看到更暗弱的星也越多。由于口径大，大大增加了聚光本领。但在光害特别严重的市区，大口径不一定有效，要在城区拍摄天体，有经验人士认为，口径有15毫米就可满足拍摄条件了。相对口径(A)：是指有效口径D和焦距F的比值，用A表示，即在观测有一定视面的天体(即延伸天体，如月球、行星、太阳)时，由于其在望远镜的亮度与A2成正比，所以要选用相对口径大的望远镜。焦距(F)：望远镜一般有两个焦距的系统组成，一个是物镜焦距，用F表示；另一个是目镜焦距，用f表示。两个系统的焦点相重合。对同一天体，焦距越长，天体在焦平面上的影像尺寸就越大。放大率(G)：通过望远镜观测，天球上两点的张角所放大的倍数，称为目视放大率，目视望远镜的放大率与物镜的焦距成正比，与目镜的焦距成反比，即望远镜的物镜焦距都是一定的，只要配备几个焦距不同的目镜，就可以得到几种不同的放大率。分辨角()：是指刚能被望远镜分辨的天球上两点间的角距离，用表示。分辨角的倒数为分辨本领，即分辨角越小，其分辨本领越大。理论上，根据光的衍射原理，望远镜的极限分辨角为式中，为入射光波长，D为望远镜有效口径，和D都以为单位。视场角()：用望远镜所能观测到的天空区域的角直径叫视场角，用表示。视场与放大率成反比，放大率越大，所观测到的天空区域就越小。视场的大小可由物镜的视面角设计大小和照相机底片二者相约束。贯穿本领：晴朗的夜晚用望远镜观测天顶附近所能看到的最暗弱恒星的星等，称作望远镜的贯穿本领或极限星等。它与望远镜的口径有密切的关系，口径越大，就能够观测到越暗弱的天体。要是口径为5厘米，可以观测到10等星；口径5米，可以观测到21等星。图A3.1折射望远镜外貌

4、光学望远镜的原理与类型天文光学天文望远镜主要由物镜和目镜及其他配件组成，如图A3.1。通常按照物镜的不同，可把光学望远镜分为三类，即折射望远镜、反射望远镜和折反射望远镜。(1)折射望远镜折射望远镜的物镜由透镜组成折射系统。根据目镜的不同，又可以分为伽利略式和开普勒式望远镜，如图A3.2。图A3.2折射望远镜光学系统伽利略式望远镜的目镜是凹透镜，开普勒式望远镜的目镜是凸透镜，目前天文观测较常采用的是开普勒式望远镜。一般折射望远镜的物镜，是由两块不同折光率的玻璃镜片组成，以减少色差，使红蓝两色的影像聚在同一焦点上，这类镜头称为消色差镜头，如图A3.3。图A3.4反射望远镜外貌图A3.3折射望远镜内部光学构造折射望远镜的主要优点是成像质量好，相片比例尺大。但是有残余色差，同时对光学玻璃的质量要求很高，制作困难，造价昂贵。(2)反射望远镜反射望远镜的物镜，不需笨重的玻璃透镜，而是制成抛物面反射镜。其光学性能，既没有色差，又削弱了球差。反射望远镜物镜表面有一层金属反光膜，通常用铝或银，反光性能相当理想，且镜筒大大缩短。由于抛物面反射可做得很轻薄，于是就可以增大望远镜的口径。现代世界上大型光学望远镜都是反射望远镜，如图A3.4。图A3.5反射望远镜的主要类型图A3.6折反射望远镜外貌反射望远镜需在镜筒里面装有口径较小的反射镜，叫作副镜，以改变由主镜反射后光线行进的方向和焦平面的位置。反射望远镜有几种类型，通常使用的主要有牛顿式，副镜为平面镜；卡塞格林式，副镜是凸双曲面镜，它可把主物镜的焦距延长，并从主镜的光孔中射出，如图A3.5。反射望远镜的主要优点是相对口径大，完全没有色差，镜面材料要求低，主要的缺点是视场小，副镜也减少了接收辐射，物镜容易氧化。(3)折反射望远镜折反射望远镜的物镜用透镜和反射镜组装而成，主要部分由主镜、目镜、矫正镜、赤道仪组成，如图A3.6。目前使用最广泛的有施密特型和马克苏托夫型。施密特卡式望远镜由反射主镜、副镜及矫正透镜三部份组成。镜筒前端的