06级地球概论·第一章
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第一章
地理坐标与天球坐标
主要内容:地面上点位置及天球上天体位置的描述。
第一节地理坐标
教学目的:1.掌握地球上方向的描述方法。
2.掌握经纬线及经纬度的概念。
3.掌握地理坐标的书写方法,会使用地球仪查找经纬度。
教学难点:1.方向的描述。
2.经纬度的度量及球面坐标模式的建立。
课时:3课时。
教学过程:
地心——地球的球心0
地轴——地球的自转轴北极N
地极——地轴与地面的两个交点
南极S
一.地球上的经纬线
(一)纬线(圈)
1.概念(P1)
2.特点
(1)地球表面有无数条纬线。
(2)纬线相互平行。
∵纬线平面⊥地轴
(3)纬线大小不等。
纬圈的半径随切割平面与地心距离的增大而减小。
3.赤道
垂直于地轴并通过地心的平面与地面的交线。
赤道是纬线中唯一的大圆。
赤道将地球分为南北两半球。
4.极
地面上距离赤道最远的两点。
可视为半径为0的纬线。
(二)经线
1.概念(P2)
经圈:一切通过地轴的平面同地面相割而成的圆。
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所有经圈都是大圆。
经线:每一经圈被南北两极等分为两个半圆,每个半圆叫做经线
或子午线。
2.特点
(1)地球表面有无数条经线。
地球上的任何一点都可以看作
是某条经线与纬线的交点。
(2)所有经线大小相等。(半个大圆)
(3)所有经线相交于南北两极。
经线即连接南北两极的大圆弧。
(4)经线与纬线相互垂直。
3.本初子午线(P2)
通过格林尼治天文台原址的经线。
是人为选定的作为经度起始面的经线。
1884年国际经度会议将其定为本初子午线。
4.本地子午线对整个地球来说,有无数条。
通过本地的子午线
对一个地点来说,只有一条。
(三)地球上的方向
经纬线代表着地球上的方向,每一地点的经纬线分别指示该地的正
东、正西、正南、正北四个方向。
1.经线代表南北方向
北:即沿经线指向北极
南:即沿经线指向南极
南北方向是有限的方向:北极
是向北的终点,也是向南的起点;
南极是向南的终点,也是向北的起点。
2.纬线代表东西方向
东:顺地球自转的方向
西:逆地球自转的方向
东西方向是无限的方向,因为纬圈无始终。
理论上的亦东亦西:A、B两地互为东西
实际上的非东即西:取A、B两点间的劣弧判断。
地球上点的相互方向的判断:
A比较南北方向:看该点更靠近N、S哪个极
B比较东西方向:首先选取二点间的劣弧,然后看是顺着还是
逆着地球自转方向由一点到达另一点。
06级地球概论·第一章
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练习:分别判断下二图中,B、C、D、E各位于A点的什么方向?
二.经度和纬度
(一)纬度(Φ)
1.线面角
本地法线与赤道平面的夹角为所
在地的纬度。
本地法线:与本地地面的切平面
相垂直的线。
2.度量
以赤道为起始面,在本地子午线上度量到该点为止。
从赤道到所在地的经线弧的度数即为该点地理纬度的数值。
如A点:400(N)
3.方向
北纬——由赤道向北度量,00-900N
南纬——由赤道向南度量,00-900S
第一章地理坐标与天球坐标
第一节地理坐标
一、地球上的经纬线
(一)纬线(圈)(二)经线(三)地球上的方向
1.概念1.概念1.经线——南北方向
2.特点
(1)(2)(3)
2.特点
(1)(2)(3)(4)
2.纬线——东西方向
3.赤道3.本初子午线
4.极4.本地子午线
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4.同一纬线上各地点具有相同的纬度。
∵纬线相互平行,所有纬线//赤道
简言之,一个地点的纬度,就是这个地点相对于赤道面的南北方向
和角距离。体现这一量度的是从赤道到所在地的一段经线。(P4)
(二)经度(λ)
1.两面角
本地子午线平面与本初子午线平面的夹角。
2.度量
以本初子午线为起点,在赤道上度量到本地子午线为止。
该段赤道弧的度数即为该地的经度数值。
3.方向
东经——由本初子午线向东度量,00-1800E
西经——由本初子午线向西度量,00-1800W
4.同一经线各地具有相同的经度。
5.地球上东西两半球的界线是200W和1600E,而不是00和1800
经线。因为00经线通过英、法、西班牙等国,若以此为界则使这些国家
分属两个半球。
简言之,一地的经度,就是该地所在的子午面相对于本初子午面的
东西方向和角距离,体现这一量度的是赤道上以本初子午面为起点,本
地子午面为终点的一段弧。(P4)
(三)经纬度的间隔
由于经纬线的不等长,造成经纬度的间隔不同。
1.经度的间隔是固定的
因为经线大小等长,4万KM/经圈,
所以每度纬度的间隔为4万KM/3600=111KM/10
2.经度的间隔随纬度的升高而减小
因为纬线大小随纬度升高而减小,
所以经度10的间隔在赤道上最长,为111KM/10,而向两极逐渐
缩短。
三.地理坐标
(一)概念
地理坐标即用经度和纬度来表示某地地理位置的方法。
一个地点的经度和纬度即它的地理坐标。
如A(400N,1200E),表示该点位于400N纬线与1200E经线
的交点上,这样的交点只有一个即A。任何两地可以有相同的纬度或者
相同的经度,但不可能同时具有相同的经纬度。因此,地理坐标具有科
学性和唯一性的特点。
(二)书写格式(P5)
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如:北京(400N,1160E)
济南(36042′N,1170E)
两极只写纬度,即900N和900S。
[课堂讨论]
纬度是一个线面角,其中线为本地法线。请问地面法线与该地同地
心的连线有何不同?
∵地球为一扁球体
∴地面法线≠点同地心的连线
地理纬度:地面法线与赤道面的交角
地心纬度:点和地心连线与赤道面的交角
四.球面坐标模式
在平面上确立点的位臵需要建立平面坐标系,横轴X,纵轴Y,然
后确定点的横坐标(a)和纵坐标(b)。
地球上点的位臵的确立需要建立球面坐标系,地理坐标系正是这样
的系统:其赤道相当于横轴,本初子午线相当于纵轴,纬度相当于纵坐
标,经度相当于横坐标。以上四要素是球面坐标系统必备的四要素。
在任何球面上建立坐标系统均需要该四要素。
(一)基圈
基圈:是球面坐标系中基本的大圆(相当于横轴)。
它是度量纬度的起点,经度也是度量它的一段弧。
极:球面上距离基圈最远的两点。
在地理坐标系中,基圈即赤道,极即N、S极。
(二)辅圈
辅圈:即垂直于基圈的大圆(过两极),相当于经线。
始圈:辅圈中最重要的半个大圆,是度量经度的起始面。相当本初
子午线。
原点:始圈与基圈的交点,为度量经度的起点。
(三)纬度
表示球面上任一点相对于基圈的方向和角距离。(P13)
度量:以基圈为起始面,在本地辅圈上度量至该点所在的位臵。该
辅圈弧的度数即纬度数值。
(四)经度
表示球面上任一点所在的辅圈相对于始圈平面的位臵。(P13)
度量:以始圈为起点,在基圈上度量至该点所在的辅圈。这一基圈
弧的度数即经度数值。
[课堂实习]
1.在地球仪上读取下列地点的地理坐标:
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地点纬度经度
纽约
堪培拉
利马
莫斯科
2.在地球仪上读取下列地名:
纬度经度地点
360N1400E
410S1750E
440N790W
350S580W
〔作业〕
1.填空
(1)如以通过北京(1160E)的经线为本初子午线,那么,现在
的经线的经度将是。
(2)如以现在的经线为本初子午线,那么,上海(1210E)的经
度将是。
2.计算题
亚洲大陆最北点纬度为77043′N,最南点纬度为1017′N,最
东点经度为169040′W,最西点经度为26003′E。求亚洲大陆东西的经
度差与南北纬度差各是多少?
3.读图题
如图,已知各纬线的间隔为,写出A、B、C、D的坐标。
06级地球概论·第一章
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第二节天球坐标
教学目的:1.掌握天球上主要的圈和点。
2.掌握各种天球坐标系统。
3.明确各种天球坐标的区别及联系,会进行天球坐标的计算。
教学重点:1.有关天球坐标的概念。
2.高度、赤纬、赤经、时角、黄经的意义及度量方法。
教学难点:天球坐标的联系。
课时:8课时。
教学过程:
一.天球
人类对天空的直觉印象是:抬头看天,头顶最高;平视四野,天地
相连。天空像一个巨大的半球罩在地面上,这个半球被称为——天穹。
(一)天穹(P7)
人们所能直接看到的地平以上的半个球形天空,称天穹。
由于天体的距离十分遥远,故尽管它们在距离上差别很大,但人眼
并不能分辨它们的远近,被认为是等距的。日月星辰仿佛都位于天穹内
侧,并随之旋转。
从天穹的概念出发,人们设想在地球的另一侧同样有半个球面,天
空作为球面不仅存在于地上,也存在于地下。宇宙包括地球在内似乎是
一个球体,这种假想的球体叫天球。
(二)天球
1.概念(P7)
2.特点
(1)球心为地心:天体在天球上的相对位臵大体上同他们在天穹
上的位臵一致。因为地球半径与无穷大相比被忽略了。
(2)半径为无穷大:所有的天体都在天球上有自己的投影。人们
可以把这种投影位臵当作它们的真实位臵。这种假想符合人类的直觉印
象。
事实上天球并不存在,人们能感觉到天球的原因基于两点:
天体离我们太远,以至不能分辨其远近,似乎都位于天球内
表面上;
天体之间的相对位臵几乎保持不变,人们自然的想到它们镶
嵌在天球上并随之旋转。
3.地心天球与日心天球
地心天球:以地心为球心的天球。
通常所说的天球均为地心天球。
日心天球:以日心为球心的天球。
在讨论地球绕日公转时用日心天球。
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(三)天球上的圈和点
1.天赤道
(1)天赤道:(P10)
它将天球分为南北两半球。
(2)天轴:地轴无限延伸。天北极P
(3)天极:天轴与天球的交点
2.地平圈天南极P′
(1)概念:(P10)
某地地平面无限扩大与天球相交的大圆。
∵R<<∞
∴可以认为地平面过地心
可见天球
地平圈将天球分为
不可见天球
(2)极:天顶Z,天底Z′
铅垂线无限延伸与天球的交点。
(3)地平圈与天赤道的关系
交角:900–Φ
因各地均有自己的地平圈,而天赤道只有一个,所以不同
地点的地平圈与天赤道的夹角不同,如:
两极(Φ=900)交角为00
赤道(Φ=00)交角为900
任意(Φ)交角为900–Φ
交点:E、W
大距点:N、S
3.天子午圈
(1)概念:地球经圈在天球上的投影(即过P、P′的天球大圆)。
午圈:本地经线的投影
(2)划分:一般以P、P′为界
子圈:经圈的另一半
(3)特点:
对整个天球来说有无数条天子午圈
对一个地点来说,因通过该地的经圈只有一个,故对应该
地地平圈的天子午圈只有一个。
(4)子午圈与地平圈的交点:N、S
(5)子午圈与天赤道的交点:Q、Q′
4.黄道
(1)概念:(P10)
06级地球概论·第一章
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它是太阳周年运动的视行路线。
黄北极K
(2)极:黄道的两极为
黄南极K′
(3)黄道与天赤道的关系
交角:黄赤交角ε=23026′
交点:春分点γ,黄道对于天赤道的升交点
二分点
秋分点:黄道对于天赤道的降交点
大距点:夏至点,黄道距离天赤道最北的点
二至点
冬至点,黄道距离天赤道最南的点
〔课堂练习〕
1.P212.3
2.如图。在图上绘出:
(1)A地的地平圈及Z、Z′
(2)A地的子午圈
(3)天赤道及P、P′
(4)N、S、Q、Q′
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二.天球坐标
(复习球面坐标模式:基圈、辅圈、纬度、经度)
(一)地平坐标系
1.要素
(1)基圈:地平圈。Z、Z′为两极。
(2)辅圈:
地平经圈——垂直于地平圈的大圆。
其中,过P、P′的为本地子午圈。
原点——南点S(测量学上以北点为原点)。
(3)纬度:高度h
表示天体相对于地平圈的方向和角距离。
度量:以地平圈为起点,在天体所在的地平经圈上度量,到
该天体为止。
方向:向天顶为+(表示在地平以上,可观测到)
向天底为-(表示在地平以下,不可观测到)
取值:00——±900
天顶距:高度的余角,表示天体相对与天顶的位臵。
z=900-h
(4)经度:方位A
表示天体所在的地平圈相对于午圈的位臵。
度量:以南点为起点,在地平圈上度量至天体所在的地平
经圈。
方向:向西为+,向东为-
(S:00W:900N:1800E:2700)
取值:00——3600
2.特点
(1)直观性
该坐标系的参照系统全是在当地选定的,(如地平圈、Z、
Z′;午圈、S)。确定了一个天体的地平坐标,则可反映出天
体在本地天空中的位臵,即该天体距地平有多高?离午圈有多
远?(如h=450,A=900)
例如,太阳的地平坐标:
A=00,h=600,(正午太阳)
A=2700,h=00,(旭日东升)
A=900,h=00,(西天落日)
A=1800,有无可能?
本地无,北回归线以南有。
06级地球概论·第一章
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(2)地方性:同一天体的地平坐标因地而异。
原因:a.原点的变化。不同的地点各有自己的午圈及
南点,在不同地点度量出的同一天体的地平
坐标会发生变化。
b.地平圈的变化.不同地点的地平圈不同,直
接影响到h的改变.
例:天极的地平高度h
p
在北极(φ=900)h
p
=900
在赤道(φ=00)h
p
=00
在任意纬度φh
p
=φ
即:仰极的高度=当地地理纬度
因此可通过观测天极高度确定当地纬度。
另外:
(3)时间性:同一天体的地平坐标因时而异
原因:由于天体的周日运动,在同一地点不同时刻观测
同一天体,其在天空中的位臵是不同的。
例:太阳,清晨时,A=2700,h=00,
正午时,A=00,h=x。
综合上述三点,地平坐标系的用途是表示天体在天空中的位臵,
由于它具有时间性和地方性,故不适于用来反映天体在天球上的位臵。
(二)第一赤道坐标系(时角坐标系)
1.要素
(1)基圈:天赤道。P、P′为两极。
(2)辅圈:赤经圈(垂直与天赤道的大圆),
也叫天子午圈、时圈。
原点:Q
始圈:午圈。
(3)纬度:赤纬δ
表示天体相对与天赤道的方向和角距离。
度量:以天赤道为起点,在天体所在的赤经圈上度量到天
体为止。
方向:向天北极为+,向天南极为-。
h
p
=φ
h
Q
=900-φ
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取值:00——±900
极距:赤纬的余角,表示天体距天极的距离。p=900-δ
天顶的赤纬δz=当地纬度φ
(4)经度:时角t
表示天体所在的赤经圈相对于午圈的方向和角距离。
度量:以Q为原点,在天赤道上度量至天体所在的赤经圈。
方向:向西为+,向东为-
取值:00——3600或0h——24h
2.特点
(1)δ具有稳定性:不因时间地点而发生变化。
因为衡量δ的标准——天赤道是固定的,不因时空而发
生变化,而天体与天赤道的相对位臵也是固定的。
(2)时角因地而异
∵不同地点有不同的Q点及午圈,
∴在不同地点度量出的同一天体的时角不同。
(3)时角因时而异
在同一地点,因天体的东升西落,天体相对于Q点时刻在
运动,因此,观测出的天体时角随时发生变化。也正因如此,
本坐标系的设臵是用于度量时间。
如t⊙
:晨东升时,t=-6h
正午时,t=12h
晚西落时,t=6h
[作业]:已知Φ=300Ν,写出下列各点的坐标。
SNZZ′PP′QQ′
h
A
δ
t
恒星时S为春分点的时角t
γ
即:S=t
γ
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(三)第二赤道坐标系
1.要素
(1)基圈:天赤道。
(2)辅圈:赤经圈。(时圈)
原点:春分点γ。始圈:春分圈。
(3)纬度:赤纬δ
〔练习〕在天球仪上读取下列天体的赤纬:
天体赤纬δ
天琴座α(织女星)
大犬座α(天狼星)
御夫座α(五车二)
小犬座α(南河三)
(4)经度:赤经α
表示天体所在的赤经圈相对于春分圈的方向和角距离。
度量:以春分点为原点,在天赤道上度量至天体所在的赤
经圈。
方向:向东为+,向西为-。
取值:00——3600或0h——24h
〔练习〕P21倒数第3题
2.特点:稳定性
因原点γ独立于地球之外,不以观测地点和时间的变化
而变化,故α是稳定的。δ、α的稳定性,使本坐标系可用于
编制星表。
给出某天体的δ、α,则该天体在天球上的位臵就确定
了,可在天球仪上查出其名称。反之给出星名也可读出δ、α。
[课堂练习]:在天球仪上读取下列星名或坐标。
赤纬赤经星名
+16028′4h35m
-16042′6h44m
猎户座α
狮子座α
α
午
=t=S=α
☆
+t☆
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(四)黄道坐标系
1.要素
(1)基圈:黄道。K、K′为两极。
(2)辅圈:黄经圈(垂直于黄道的大圆)。
原点:春分点γ。
始圈:无名圈。
(3)纬度:黄纬β
表示天体相对于黄道的位臵。
度量:以黄道为起点,在天体所在的黄经圈上度量至天体
为止。
方向:向K为+,向K′为-。
取值:00——±900
(4)经度:黄经λ
表示天体所在的黄经圈相对于γ所在的黄经圈的位臵。
度量:以γ为原点在黄道上度量到天体所在的黄经圈为止。
方向:向东为+,向西为-。
取值:00——3600
[练习]:天北极的β=,λ=;
黄北极的δ=,α=。
2.特点
(1)稳定性
该坐标系选取的参照系统(黄道、春分点γ)都是独立于
地球之外的,不依观测时间与地点的变化而变化。
(2)适于表示太阳的位臵
[练习]:读取下列日期太阳的黄道坐标:
3月21日6月22日9月21日12月22日
β⊙
λ⊙
由于太阳的周年运动在黄道上进行β⊙=00,故可用黄经
λ表示太阳在天球上的位臵。
太阳系内的天体,基本上位于黄道面附近,故用黄经表示
它们的位臵也是十分方便的。
二十四节气分别与固定的太阳黄经相对应:
春分夏至秋分冬至
λ⊙=00λ⊙=900λ⊙=1800λ⊙=2700
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[练习]:ε=23026′,在太阳沿黄道
运行一周的时间内,δ
⊙
的变化范围
是多少?
[作业]:
1.写出二分二至点的赤经、赤纬值。
2.已知天顶赤经为S,写出Q、Q′、E、W的赤经。
3.已知织女星的赤经为18h40m,当织女星的时角是10h15m时,恒
星时是多少?
4.当恒星时为18h27m时,南河三(α=7h38m)的时角是多少?
5.当春分点上中天时,轩辕十四(α=10h07m)的时角是多少
06级地球概论·第一章
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[天球坐标作业]:
1.已知Φ=300Ν,写出下列各点的坐标。
SNZZ′PP′QQ′
h
A
δ
t
2.写出二分二至点的赤经、赤纬值。
3.已知天顶赤经为S,写出Q、Q′、E、W的赤经。
4.已知织女星的赤经为18h40m,当织女星的时角是10h15m时,恒星时是
多少?
5.当恒星时为18h27m时,南河三(α=7h38m)的时角是多少?
6.当春分点上中天时,轩辕十四(α=10h07m)的时角是多少?
06级地球概论·第一章
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(五)各种天球坐标的区别和联系
1.地平坐标系与第一赤道坐标系
(1)相同点
始圈:午圈。
经度度量方向:向西。
(2)不同点
基圈原点经纬度
[练习]:P21,第8题
(3)关系
h
p
=δz=φ
h
Q
=δ
N
=900–φ
h
E、W
=δ
E、W
=00
2.第二赤道坐标系与黄道坐标系
(1)相同点
原点:γ
经度度量方向:向东
(2)不同点
基圈始圈经纬度
(3)关系
ε=23026′
[练习]:P21,倒数第1题
3.第一赤道坐标系与第二赤道坐标系
(1)相同点
基圈:天赤道
纬度:赤纬δ
(2)不同点
始圈原点经度度量方向
(3)关系
α☆
+t☆
=tγ
=α午
=S
[作业]:P22
地平圈
天赤道
S
Q
天赤道春分圈
黄道无名圈
δ、α
β、λ
午圈
春分圈
Q
γ
t
α
向西
向东
h、t
δ、α
06级地球概论·第一章
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[课堂实习]:
天球仪的使用
一、天球仪的结构
天球仪是按照一定的数学法则制作的天球模型。可分为球体透明和
球体不透明两种。
1.球体
球体表面代表天球轮廓,其上绘有:
天赤道及赤道坐标系的经纬网;
黄道;
约千颗恒星;(大小表示恒星的亮度)
星座界线。(星座+字母=恒星名)
2.子午环
子午环代表本地子午圈,它是赤经圈中的一个。
天轴穿过天球中心,两端固定在子午环上,分别是P、P′。
3.座架
座架的水平圆环代表本地地平圈,其上标有N、S、E、W四
点。子午环可在座架底槽中垂直转动,以调整极高。
二.天球仪的放置
因各地均有自己的地平圈,它们在天球上的位臵是不一样的。必须
根据当地的纬度放臵天球仪。
在天球仪中,座架代表的地平圈是固定的,可通过调整天球体使地
平圈与天赤道的关系符合当地的实际情况。
1.转动地平圈对正方位
2.调整极高使h
p
=φ。调整后即为本地所见天球。
[练习]:P21第11题。
三.天球仪的用途
天球仪的教学用途很多,可用以表述各种天球坐标;认识主要恒星
及星座;演示天体的运行等。
(一)从天球仪上直接求解的问题
1.确定已知恒星的α和δ
2.根据已知的α和δ找出天体在天球上的位臵
[课堂实习]:
1.在天球仪上读取下列星名。
赤纬赤经星名
-8013′5h14m
+45059′5h15m
-12013h12m
-30023h
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2.在天球仪上读取下列坐标。
星名赤纬赤经
天琴座α
天鹅座α
天鹰座α
双子座α
3.确定太阳的λ、δ、α
(1)λ⊙的确定
黄道上标明二十四节气的名称,可根据节气确定太阳在黄
道上的位臵。
a.找出某日所邻近的节气
b.根据太阳在黄道上运行的速度(3600÷365≈59′/日)确定
该日太阳的位臵。
c.读出λ⊙
(2)δ⊙、α⊙的确定
根据太阳在黄道上的位臵直接天球仪上读出δ⊙、α⊙。
[练习]:5月1日太阳的δ⊙=α⊙=
(二)求已知日期太阳时的可见天象
1.求α⊙:根据太阳在黄道上的位臵,求α⊙
2.求t⊙:根据T=t⊙+12h,求t⊙
3.求S:根据S=α⊙+t⊙,求S
4.求天象:转动天球仪,使α午
=S
此时,地平圈以上可见天球即为可见天象。
[练习]:求冬至日(12月22日)晚9h可见天象。
解:(1)α⊙=18h
(2)t⊙=T-12h=21h-12h=9h
(3)S=α⊙+t⊙=18h+9h=27h=3h
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