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古人虽然不知道地球绕着太阳转，但他们发现太阳似乎是绕着地球转动，而且遵循一定的规律。学过物理的就明白，运动是相对的，这是因为参考系的不同。地球围绕着太阳运动，参考系是太阳。人们在地球上看到太阳升起和落下，参考系为地球。所以地球围绕着太阳转，也可以看成是太阳围绕着地球转。

我们通常感觉不到地球的运动（自转和公转），所以在地球上看到太阳在恒星所组成的星空背景上好像是向后运动的，每年转一圈，通俗来说，我们把太阳绕着地球运动，叫做太阳周年视运动。晚上我们仰望星空，似乎觉得整个天空是以地球为球心的球体，日月星辰都镶嵌在这个球体上。天文学上把这个球体称为天球，天空中所有的物体都可以看成是在天球上的投影。

天球

天球是假想的一个与地球同球心，同自转轴，半径无限大的球体。为了准确描述天上星体的位置，天文学家制定了一套赤道坐标系统。与我们熟悉的地理坐标系统很相似，两者使用相同的基准平面和相同的极点。地球的赤道在天球上的投影称为天球赤道，同样的，地理极点在天球上的投影就是天极。

根据这套坐标系统，天文学家把天球分为赤纬和赤经。赤纬的算法和纬度算法一样，从天球赤道开始为0°，向北至天球北极是+90 °，向南至天球南极是-90 °。赤经的算法与经度算法不同，它是沿着天球赤道方向自西向东划分为24小时，把一周360度平均分成24份，那么1份就是15度等于1小时。和时间类似，赤经的每小时可分为60分，每分可再细分为60秒。这里的分秒指的是时分时秒，并不是传统意义上的角分角秒，1时分等于15角分，1时秒等于15角秒。天球自东向西旋转，与地球自转方向相反。

黄道

以地球为视角，将地球和太阳连成一条直线，随着地球的公转，经过一年的时间，这条连线走过的路径就会形成一个平面，叫做黄道面。简单来说，地球围绕太阳公转的轨道平面叫做黄道面，黄道面与天球相交的大圆叫做黄道。也可以说，太阳在天球上的运动轨迹叫做黄道，它是天球上假设的一个大圆圈，即地球轨道（地球围绕太阳运行的路径）在天球上的投影。它和赤道面相交于春分点和秋分点。

这样包括日月星辰在内的所有星体在天球上的运动都是可以观察和测量的，古人正是靠测量太阳在黄道上运行的周期计算出一年的长度。

我们知道，地球赤道面与黄道面并不重合，有个23°26′21″的倾斜夹角。由于黄赤交角的存在，造成了太阳直射点南北移动。太阳周年视运动直观表现就是太阳直射点南北移动的回归性。每年春分时，太阳直射在赤道上，然后慢慢向北移动，夏至时移动到北回归线上，此时太阳最靠近北方，之后又开始慢慢南移，秋分时直射赤道上，到冬至时移动到南回归线上，此时太阳最靠近南方，之后又开始向北移，周而复始。

根据夏至日影子最短，冬至日影子最长，要测量一年的长度，只需要测出两个冬至日之间的时间就行了。所以，确定冬至的时间是关键。在元代以前，人们用圭表来测量影子的长短，从而大致确定冬至点。元代郭守敬在河南登封建造观象台后，利用投影原理，巧妙地确定了冬至点。然后坚持测量，从而精确地计算出了一年的长度。

白道

月球绕地球运行的轨道我们称为白道，它是月球在天球上的运行轨迹。

月球的引力会引起地球上每天两次涨潮，两次退潮，我们称之为潮汐，地球自转一圈的时间是24小时，月球公转一周的平均时间是29.53天。这样一来，月球的引力就会对地球的自转起到减速作用，直接的影响就是海水的涨落。其实，不仅地球上的海洋会有潮汐，地球上岩石圈每天也会起伏60厘米，这叫固体的潮汐。

力的作用是相互的，地球也会对月球产生引力，让月球的自转减速。当月球自转速度减慢到和公转速度相同时，这种同步自转会导致月球一面固定不变的朝向地球，这样月球就被地球潮汐锁定。

月球的公转轨道面（白道面）和地球的公转轨道面（黄道面）并不重合，而是存在一个夹角，角度在4°57′～5°19′之间变化，平均值约为5°9′，变化周期约为173天。所以当月球绕地球公转一圈，会产生不同程度的上升或下降，再加上月球在近地点的速度更快，而在远地点速度更慢，就会造成月球公转时发生轻微的上下左右摆动，正是因为如此，我们才能看到59%的月球表面。

日食 月食

所谓日食，是指月球运动到太阳和地球中间，三者正好处在一条直线时，月球就会挡住太阳射向地球的光，形成的影子正好落到地球上的现象。落到地球上的影子，分为本影、伪本影和半影。

注意：在物理学现象中，不透明体遮住较大的发光体时，所产生的影子有两部分，完全暗的部分叫本影，在空间上是个圆锥体，半明半暗的部分叫半影。特别的，在日食形成过程中，本影锥体汇聚一点后继续延伸形成的影子锥体，叫伪本影。由于月球围绕地球运动的轨道是椭圆形，因此地月距离不是固定不变的，当地月距离超过本影锥顶点时，伪本影才能落到地球表面。

日食一定发生在朔日（农历初一），因为只有在这一天，月球才刚好位于太阳和地球之间，它和太阳同时升起同时落下。但不是每一个朔日都会发生日食，因为有这个5°9′夹角的存在，所以在大多数的朔日里，月亮虽然转到太阳和地球之间，但它的影子却没有“扫”到地球上，这样就不会发生日食现象。一般来说，一年大约只有2个朔日才会发生日食。

所谓月食，是指地球运行到太阳和月球之间时，太阳的光刚好被地球挡住，不能照到月球上去，月球上就会出现黑影的现象。月食一定发生在望月（满月）的晚上，一般出现在农历十五的前后。原因也是这个5°9′的倾斜角，因此只有在望日时，太阳和月球分别位于黄道和白道的两个交点附近，才会出现月食现象。一般来说，一年大概能观测到2次月食。

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