高校地球概论课程中天球坐标教学浅析

苏海民 何爱霞

（宿州学院 地球科学与工程学院，安徽 宿州 234000）

高校地球概论课程中天球坐标教学浅析

苏海民 何爱霞

（宿州学院 地球科学与工程学院，安徽 宿州 234000）

天球坐标是地球概论教学的一个突破口，学好天球坐标对于学习后面章节具有重要意义.从如何建立天球坐标一般模式系入手，介绍各种坐标系下的纬度、经度的特点及不同坐标系间的区别与联系.只有做到找准坐标系和找到表示坐标值的角度两方面才能将天体坐标计算正确.

天球坐标；坐标系；角度；特点

地球概论是高校地理科学专业开设的一门先行专业基础课，其主要任务是阐明作为天体的地球的运动特性和物理特性，地球同宇宙中其他天体的关系及其对地理环境形成和发展的作用，为了解地理过程和地理规律提供所必需的宇宙环境的基础知识［1］，对学好其他专业课及今后从事中学地理教学有重要的指导作用.而天球坐标是学习地球概论的基础理论知识.凡涉及地球天文学的内容都或多或少与天球坐标有关，比如地球上的“正午太阳高度计算、昼夜长短”需要用到赤纬和时角，“地球运动”规律讲述需要用到黄道、地平高度，视太阳日长短变化需要时角、赤经及黄经，有关时间计算也需要时角坐标系等.可以说，天球坐标是整个地球概论教学的一个突破口［2］.

地球概论课程的总体特点是：立体、抽象、运动.“天球坐标系”部分则是立体、抽象特点最为突出的部分，因此成为难点内容之一［3］.天球坐标之所以成为教学中的难点，主要原因有两点：一是学生头脑中不能较好地建立立体空间，进行坐标的空间思维与转换.四类天球坐标讲述都是在空间球面上进行的，要求学生有较强的空间思维能力，想象出球面上的各点、圆的位置及空间的变化.二是天球坐标种类繁多，建立不同坐标需要不同的圆、点（地平圈、天赤道、黄道、午圈、春分圈、无名圈，东点、西点、南点、北点、上点、春分点及六个极点等）和不同的坐标名称（高度、方位、赤纬、时角、赤经、黄伟、黄经等），对于初学者来说显得头绪纷繁，难以接受.

1 天球坐标系的建立

1.1 坐标系的总体特征

天球坐标系是坐标系的一种，它的建立与平面坐标系建立需要同样的要素，横轴、纵轴、原点、横坐标和纵坐标［4］.所不同的是天球坐标是球面坐标，因此，它的横轴和纵轴由平面上的直线变为球面上的弧线，而且四种球面坐标系具有共同的特点，金祖孟、陈自悟先生主编的地球概论教材中写到：“球面坐标都有一个基圈，基圈上都有一个原点……”，根据这些特点以基圈、始圈和终圈为球面三角形边长建立了球面坐标系的一般模式.在这个一般模式当中可以归结为“两动两不动”.“两不动”是指模式中的横轴和纵轴不动，即基圈和始圈不动；“两动”是指观测点（天体）在终圈上的上下移动，使球面坐标的纬度发生变化，另外是指观测点（天体）随终圈在基圈上左右移动，使球面坐标的经度发生变化.

1.2 确定球面坐标表示

天球坐标难就难在坐标系类型多，建立坐标系所需要的点和圆不固定，要求学生掌握的圆圈系统和基本要点内容凌乱，记忆起来容易混淆.因此，要想把某观测点（天体）的坐标值计算正确，要做到两点：第一，找准坐标系.比如在题目中看到“方位”一词首先就应该想到地平坐标系，然后回想建立地平坐标系需要哪些基本要素，它以地平圈为基圈，以南点为坐标原点，以午圈为始圈建立地平坐标系.第二，找到表示坐标值的角度.在建立地平坐标系后，将根据地平坐标系的经度——方位是以南点为原点，在地平圈上向西度量的一段弧长.对于第二点笔者根据教学总结出：四种坐标系下各种纬度和经度都可以通过四个点来确定，测点（天体）、原点、介点和天球球心.对学生而言，四个点中只有介点比较难以确定，从教学中发现，有相当一部分学生不知道如何寻找介点，其实介点就是终圈与基圈的交点，而终圈则是经过两极点且垂直于基圈的大圆，可以说测点（天体）在哪里，哪里就是终圈位置.只要找到介点就可以很容易的在各坐标系中找到相应的纬度和经度.纬度，指测点（天体）和介点之间的一段弧长，也是测点（天体）－介点所对应的球心角的大小；经度，指原点和介点之间的一段弧长，也是原点－介点所对应的球心角的大小.

2 各坐标的变化特点

2.1 地平坐标系——高度和方位

高度（h），表示被测天体相对于地平圈的方向和角距离，以地平圈为起点在天体所在地平经圈向上（向下）两个方向度量（0°—±90°），向上为正，向下为负.方位（A），是天体相对于南点或午圈的方向和角距离，以南点为起点在地平圈上由东向西（顺时针方向）度量（0°—360°）.其变化特点是：天体的地平坐标即天体的高度和方位，因时因地而异.在同一时刻不同地点，具有不同的地平圈、南点，因而就有不同的高度和方位；在同一地点不同的时刻，天体具有不同的位置，天体都具有周日视运动，因而就有不同的高度和方位.

2.2 第一赤道坐标系——赤纬和时角

赤纬（δ），表示天体相对于天赤道的方向和角距离，以天赤道为起点在天体所在的时圈上度量，可向南北两个方向度量（0°—±90°）.时角（t），是天体相对于上点或午圈的方向和角距离，以上点为起点在天赤道上向西（顺时针方向）度量（为使天体的时角“与时俱增”），自0°－360°，也可以用时间单位从0 h－24 h.时角坐标系中的赤纬（δ）是恒定不变的，因为天体的赤纬是天体相对于天赤道的方向和角距离，而天体周日运动的路线周日圈，始终是平行于天赤道，所以天体相对于天赤道的方向和角距离始终不变.但是天体的时角（t）却因时刻和经度而不同.因为对于同一地点不同时刻来说午圈平面即上点所在的平面是不动的，但由于地球自转，天体都具有周日运动，使天体的时角随时间均匀变化，每小时增加15°；不同经度的地点，具有不同的午圈平面和不同的上点，原点不同，同一天体的时角当然也不同.

2.3 第二赤道坐标系——赤纬和赤经

第二赤道坐标系纬度——赤纬与第一赤道坐标系相同.赤经（α），表示天体相对于春分点或春分圈的方向和角距离，以春分点为起点在天赤道上向东量度，从0°－360°，也可以用时间单位从0 h－24 h.赤经是以春分点为坐标原点，而春分点在天文学上起着恒星总代表的作用，因此，可以被看做一颗恒星，与其他恒星同样因地球自转做周日运动，春分点与恒星天体之间就没有相对运动，因此，恒星的赤经也不因时间和地点而变化.

3 各种坐标系的区别和联系

3.1 区别

不同天球坐标系之间区别总结为以下几点：

1）地平、赤道、黄道坐标系以不同的基圈相区别；

2）第一赤道坐标系和第二赤道坐标系是以不同的原点和始圈相区别；

3）天球坐标系中的纬度有三种：高度、赤纬和黄纬，都相当于地理坐标系中的地理纬度，都可以表示为天体与天球中心的连线与相应基圈平面的夹角（天体与介点的弧长）.

4）天球坐标系中的经度有四种：方位、时角、赤经和黄经.它们都相当于地理坐标系中地理经度，都可以表示为终圈与始圈的夹角（原点与介点的弧长）.四种经度值得注意的是：第一，时角和赤经既可以用角度单位，也可以用时间单位，而方位和黄经只能用角度单位；第二，时角和赤经都在天赤道上度量，但前者以上点为起点向西度量，后者以春分点为起点向东度量；第三，赤经和黄经都以春分点为起点，都向东度量，但前者是在天赤道上，后者在黄道上度量；第四，方位和时角都以午圈为始圈，都向西度量，都随时间和经度而变化，而赤经和黄经则不发生变化.

3.2 联系

3.2.1 地平坐标系和第一赤道坐标系

二者始圈相同（午圈），但基圈不同，因而高度不同赤纬，方位不同时角.具体联系与当地的纬度有关，具体关系为：

这是因为天球子午圈既被地平坐标系统的天顶、天底、南点、北点四等分，又被赤道坐标系统的天北极、天南极、上点、下点四等分.因此，上述8个点中，任意两点之间的距离，不是纬度，就是余纬.3.2.2 第一赤道坐标系和第二赤道坐标系

二者基圈相同（天赤道），因而有相同的纬度（赤纬），但始圈不同，因而时角不同于赤经；具体差异与当时的恒星时有关，恒星时等于春分点的时角，等于上点的赤经，也等于任一天体的赤经与当时的时角之和，即：

4 结语

天球坐标是学习地球概论的基础理论知识，是整个地球概论教学的一个突破口，也是地球概论教学中的重点与难点内容之一.由于坐标类型多，知识点凌乱，要学好有关天球坐标的理论知识，要求学生首先要培养较强的空间思维能力，能够系统的掌握四种坐标系之间的具体区别与联系.在实践中要做到找准坐标系，学会查找表示坐标值的位置，只有做到这两点才能将天体坐标计算正确，才能在以后章节学习中得心应手.

［1］金祖孟，陈自悟.地球概论［M］.北京：高等教育出版社，2009

［2］曹 健.天球坐标教学问题［J］.苏州教育学院学报，1999（4）：78-79

［3］李桂仙.“天球坐标系”教学探微［J］.玉溪师范高等专科学校学报，2000（S1）：84-87

［4］刘 南.地球概论［M］.北京：高等教育出版社，1993

Celestial Coordinate System Teaching Brief Analysis on the College"Introduction to Earth"

Su Haimin He Aixia
（School of Earth Science and Engineering，Suzhou University，Suzhoui 234000，China）

The celestial coordinate system is a breach and has an important meaning in Earth introduction teaching.From how to establish the general pattern of celestial coordinate system，the characteristics of the latitude，the longitude and difference and the relation are introduced in each kind of coordinate system.Only when accurate coordinate system and the expression of coordinate angles are both achieved will we be able to calculate correctly.

celestial coordinate system；accurate coordinate system；angle；characteristic

张丽萍】

1672-2027（2011）03-0158-03

P22

A

2011-02-23

安徽宿州学院硕士科研基金项目（2009YSS03）；宿州学院教学研究项目（szxyjyxm201025）

苏海民（1979-），男，山东鄄城人，硕士，宿州学院讲系，主从事资源环境与GIS应用研究.