地球的公转是用什么做参考系的?

地球的公转是用什么做参考系的?

在高中物理教学中经常会遇到这样一个题目：平常我们说的太阳升起和落下,是用什么做参考系的?我们说地球绕着太阳运动,又是用什么做参考系的?第一问,答案无可争议,是用地球做参考系的.第二问,可能不少人会说,是用太阳做参考系的.这一答案是值得商榷的.通常,我们说地球绕着太阳运动,是指地球的公转,即地球每年绕太阳自西向东运动一周.在这里,太阳由于距离我们太遥远,实际上被看做了一个点.一个点能做参考系吗?我们先来探讨一下这个问题.我们知道,参考系是用来辅助描述物体运动的工具.物体的运动,是指物体位置的变动.要描述物体位置的变动,首先要确定物体的位置.确定物体位置的方法是建立坐标系.在一条直线或曲线上,可以建立一维坐标系;在一个平面或曲面上,可以建立二维坐标系;在一个具有三维结构的物体上,可以建立三维坐标系.只通过一个点,则不能建立任何坐标系.参考系实质上是提供了一个空间用来建立坐标系.由于只通过一个点不能建立任何坐标系,所以,一个点是不能用作参考系的.因此,当太阳被看做一个点时,是不能做参考系的.当太阳不被看做一个点,而是被看做一个物体时,则是可以做参考系的.那么,用太阳做参考系,地球将做怎样的运动呢?现代天文学告诉我们,太阳也存在自转,其自转方向与地球自转、公转方向相同,也是自西向东旋转,周期是25-36天.下面据此分析一下,用太阳做参考系,地球（视为一个点）将作什么运动.如上图,太阳自转与地球公转方向相同,取地球公转周期T地=365天,太阳自转周期 T日=30天.设某一时刻,太阳表面上的一点A正对地球（太阳中心、A点和地球在一条直线上）.经过一段时间t,A点第二次正对地球时,地球绕太阳转过的角度为q,则太阳自转过的角度为（2π+q）.可列式如下：t/T地·2π= qt/T日·2π=2π+q由以上两式求得t≈32.7天.这表明,以太阳为参考系,地球约每32.7天绕太阳运动一周,而运动方向是自东向西,与地球公转方向相反.也就是说,以太阳为参考系所描述的地球的运动与我们通常说的地球的公转是完全不同的.那么,地球公转的参考系又是什么呢?我们注意到,在上面对地球公转和太阳自转的分析中,没有指明地球公转和太阳自转的参考系.显然,这两个运动应是在同一个参考系中进行描述的.这个参考系不能是太阳,也不能是地球,因为描述物体的运动,不能以其自身做参考系.那么,这个参考系是什么呢?我们看一下天文学上描述天体视运动时常用的参考系:日心天球和地心天球.在晴朗的夜晚,当我们仰望天空时,总觉得在我们的头顶上高耸着一个半球形的圆顶(通常称为天穹),上面缀满了无数颗闪闪的星星.不管我们走到哪里,总觉得我们位于这个球的球心.实际上,因为所有的天体离我们都很远,我们的眼睛无法分辨他们的远近,所以觉得他们都位于遥远的同一距离的地方,即分布在以观测者眼睛为球心的球面上.这个球面称为“天球”,天球上所有天体的位置,可用球面坐标来表示,这同地面上采用地理坐标的方法相似.在作天球时,一般以观测者为球心,以适当长度为半径.有时为了便于研究问题,需要将球心设在地球中心或太阳中心,这样的天球分别称为“地心天球”和“日心天球”.在描述地球自转或太阳自转时,也是以地心天球或日心天球为参考系的.但这时的天球已被视为一个三维的球体,而不仅仅是一个球面,因为地球或太阳上面的点并不在天球的球面上.不难看出,地球公转的参考系正是被视为球体的日心天球,太阳系中其他行星的公转也是以它为参考系的.因此,地球公转和太阳自转是在同一参考系——被视为球体的日心天球中进行描述的.综上所述,地球公转的参考系不是太阳,而是被视为球体的日心天球.这就如同一个小球在桌面上绕桌面上的一点转动,参考系是桌面(或桌子),而不是这个点.之所以有人会误以太阳为参考系,究其原因,一是对参考系概念认识模糊,没搞清楚当太阳被视为一个点时,是不能作参考系的；二是虽把太阳视为一个物体,却忽视了它的自转情形.