天文学概论教案

天津理工大学本科教学教案

第 2 周，第 1 次课章节名称：第一讲绪论

主要内容：天文学概念、天文学研究的特点、天文学发展历史、天文学学科的分类

天文学是一门古老而又新兴的科学。说它古老，是因为早在五千年前的古代中国文明时期，我国劳动人民就已经运用太阳星辰的运动规律来指导农耕生产了。说它新兴，是因为即使是在科学技术高度发展的当今，天文学仍然是推动科技理论发展的两大原动力之一。（另一个是粒子物理学）。因此，完全可以说，天文学在整个自然科学体系中的地位并不亚于牛顿三定律在经典物理中的重要作用。

天文学既自成体系，又和其它学科，尤其是近现代物理相互融合，形成了她的特点和知识内容。她既博大精深，又细致通俗。这使得爱好并研究天文学的同学们都找到了自已合适的位置，并得到了无穷的乐趣和满足。

第一讲绪论

第一节天文学研究对象和方法

一、天文学概念：

天文学属自然科学的基础学科。它是以观察及解释天体的物质状况及事件为主的学科。主要研究天体的分布、运动、位置、状态、结构、组成、性质及起源和演化。在古代，天文学还与历法的制定有不可分割的关系。天文学与其他自然科学不同之处在于，天文学的实验方法是观测，通过观测来收集天体的各种信息。因而对观测方法和观测手段的研究，是天文学家努力研究的一个方向。物理学和数学对天文学的影响非常大，他们是现代进行天文学研究不可或缺的理论辅助。

自然科学：研究大自然中有机或无机的事物和现象的科学。自然科学包括物理学、化学、地质学、生物学等等。

二、天文学研究的特点

天文研究工作不同于其它学科的研究，具有以下特点：

1.被动性

天文研究的手段主要是观测──被动地观测，它不能像其它学科那样，人为地设计实验，“主动”地去影响或变革所研究的对象，只能“被动”地去观测，根据已经存在的事实来进行分析。天文研究的过程可以用下图来简单地概括

观测─→积累资料─→分析资料─→理论

2.瞬时性：让我们来比较下面三组数据

a、天体的年龄几百万年——百多亿年

b、人类文明几千年

c、人的一生几十年——百年左右

从比较中我们不难看出，人类研究天体的演化仅是用天文学家的一生即相当于天体演化短短地一瞬间，即增加了天文学研究得困难性。

3.长期性和连续性

任何理论的形成都建立在大量的数据之上，天文学也不例外，而且对天文观测数据的积累则更是长期的、持续不断的。只有这样的数据才是有用的，才能在此基础上得出相对正确的理论。

开普勒正是在其老师第谷花费毕生精力留下的行星观测资料中发现了三大定律。第一颗脉冲星的发现正是在距今９００多年的历史记载中找到了其形成的证据等等。即使是最平常的天文观测（如：月球、太阳、变星、双星）也需要几天以至于几十年的持续观测，才能有所收获，得出

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主要内容：天文学概念、天文学研究的特点、天文学发展历史、天文学学科的分类

结论。因此，天文工作者必须要具有持之以恒的毅力和认真细致的工作态度，否则就连皮毛都不可能学到。

综上所述，我们可以给天文学下一个定义：所谓天文学就是在极其“短暂”的千百年的时间里，以基本上“被动”的观测方法面向广阔无边的宇宙空间，探索各类天体在漫长历程中的存在和演变的一门学科。

三、天文学的研究对象：

天文学的研究对象是各种天体。地球也是一个天体，因此作为一个整体的地球也是天文学的研究对

象之一。最初，古人观察太阳、月球和天空中的星星来确定时间、方向和历法，并记录天象。

随着天文学的发展，人们已经探测到了200亿光年的范围，根据尺度和规模，天文学的研究对象可以分为：

1．行星系统

包括行星、围绕行星旋转的卫星和大量的小天体，如小行星、彗星、流星体。太阳系是目前能够直接观测的唯一的行星系。但是宇宙中存在着无数像太阳系这样的行星系统。

2．恒星系统

现在人们已经观测到了亿万个恒星，太阳只是无数恒星中很普通的一颗。

3．星系系统

人类所处的太阳系只是处于由无数恒星组成的银河系中的一隅。而银河系也只是一个普通的星系，除了银河系以外，还存在着许多的河外星系。星系又进一步组成了更大的天体系统，星系团。

4．宇宙

一些天文学家提出了比超星系团还高一级的总星系。按照现在的理解，总星系就是目前人类所能观测到的宇宙的范围，半径超过了100亿光年。

在天文学研究中最热门、也是最难令人信服的课题之一就是关于宇宙起源与未来的研究。对于宇宙起源问题的理论层出不穷，其中最具代表性，影响最大，也是最多人支持的的就是1948年美国科学家伽莫夫等人提出的大爆炸理论。根据现在不断完善的这个理论，宇宙是在约137亿年前的一次猛烈的爆发中诞生的。然后宇宙不断地膨胀，温度不断地降低，在宇宙年龄约10年时星系开始形成，并逐渐演化为今天的样子。

5．现代天文学研究的领域非常广泛，有许多非常热门的研究课题。例如：引力的本质、脉冲星、黑洞和γ射线暴等等。

四、天文学基本名词

1．天体又名星体：顾名思义为天空中的物体。

宇宙 - 银河系 - 星云、太阳系:太阳-行星- 彗星 - 卫星 - 小行星 - 陨石

2．太阳系：阳系的中心是太阳，虽然它只是一颗中小型的恒星，但它的质量已经占据了整个太阳系总质量的99.85％，太阳以自己强大的引力将太阳系中所有的天体紧紧地控制在他自己周围，使它们井然有序地围绕自己旋转。同时，太阳又带着太阳系的全体成员围绕银河系的中心运动。太阳系内迄今发现了九颗大行星。有时称它们为“九大行星”。按照距离太阳的远近，这九大行星依次是：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星以及最远的冥王星。天津理工大学本科教学教案

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主要内容：天文学概念、天文学研究的特点、天文学发展历史、天文学学科的分类

水星、金星、地球和火星也被称为类地行星。除了水星和金星外，其他的行星都有卫星。在火星和木星之间还存在着数十万个大小不等，形态各异的小行星，天文学家将这个区域称为小行星带。此外，太阳系中还有超过1000颗的彗星，以及不计其数的尘埃、冰团、碎块等小天体。

太阳系中的各个天体主要由氢、氦、氖等气体，冰（水、氨、甲烷）以及含有铁、硅、镁等元素的岩石构成。类地行星、地球、月球、火星、木星的部分卫星、小行星主要由岩石组成；木星和土星主要由氢和氦组成，其核可能是岩石或冰。

3.天球：天球就是以观测者为球心，以无限大为半径所描绘出的假想球面，我们看到的天体（星星、月亮、太阳）是其在这个巨大的圆球的球面上的投影位置。

4.天体周日视运动：由于地球自转（自西向东），所以地面上的观测者看到的天体在一天中在天球上自东向西沿着与转轴垂直的平面内的小圆转过一周。

5.子午圈

过观测者的天顶和南北天极的大圆。

6.中天

天体经过观测者的子午圈时，叫做中天。由于地球的自转，天体一天要穿过子午圈两次，其中离观测者天顶较近一次叫上中天。另外一次叫下中天。

7.黄道

简单的说就是太阳在天球中的运行轨迹。由于运动的相对性，所以黄道也就是地球公转轨道与天球的交线。

8.目视星等

公元前２世纪，希腊天文学家伊巴谷将恒星按照其亮度分为六等。亮度越大，星等越小。后来发现，