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天文学概论教学大纲

一、说明
（一）课程性质
天文学概论是面向全校文理本科生开设的综合选修课,是针对非天文专业学生普及现代天文学基本知识的课程.天文学的研究成果直接为生活在地球上的人类服务,同时它与其它学科之间有着广泛的相互渗透、相互促进发展的关系,其中与数学和物理学的关系最为突出,天文学与社会政治、宗教、文化、艺术等领域也有久远的关系.因此,天文学的基本知识,对于当代追求高尚知识素养的人,无论从事何种职业,都是值得学习的.
（二）教学目的
通过对天文学概论的学习和观测,使高等学校本科生比较系统地获得关于天体和宇宙的各种知识,科学地认识神秘而和谐的宇宙,了解人类生存的宇宙环境,人类探索宇宙的科学方法、艰辛历程和未来前景,从而开阔学生的视野,启迪人生,树立正确的世界观、人生观,提高科学素质和综合知识水平.
（三）教学内容
1．课堂讲授部分
主要包括天球坐标系、时间序列、太阳及行星系统、恒星、星系、当代天文学新视野、20世纪60年代天文学四大发现、恒星的能源和演化机制、黑洞、地外文明及探索、宇宙模型及理论等.
2．天文学观测实习部分
常见普通天文望远镜基本使用方法,星座辨认方法练习,对九大行星的观测,对太阳及黑子的观测、水星或金星凌日的观测,日月蚀的观测,银河及河外星系的观测,彗星、流星雨及其它天象的观测,天体光谱观测研究以及简易天文望远镜的设计制作技术等.
（四）教学时数
本课程教学安排为一学年,第一学期为课堂讲授,学时数36.第二学期为天文学观测实习,学时数为36.学生可分别选修,但只能在选修完第一部分教学内容后,方可在下一学期选修天文学观测实习课程部分.
（五）教学方式
针对该课程知识性强,与其它学科的交叉、综合性强,学生好奇性强的特点,第一部分采用课堂集中讲授为主,学生讨论为辅的开放的教学模式进行.第二部分可在天文台做基本观测实习,同时,针对预期或随机出现的特殊天文现象,组织专项观测活动,开设天文知识专题讲座和讨论,并对当代天文学的一些前沿问题举办学术讲座,适当举办面向社会的天文科普活动,丰富和活跃学生学习内容.
二、本文
理论部分
绪 论
教学要点：
学习天文学的必要性和现实意义,天文学的分支学科和研究手段.
教学时数：
2学时.
教学内容：
§0.1 探索宇宙是人类永恒的欲望
人类探索宇宙简史,地心说,日星说,伽里略、哥白尼、牛顿、爱因斯坦、哈勃、霍金等人在天文学发展史上的重要贡献.
§0.2 天文学与人类社会发展的关系

§0.3 天文学研究对象
研究地球大气层以外的天体和宇宙,以及地面实验室难以达到的极端物理、化学状态与天体演化机制问题.
§0.4 天文学的分支学科和研究手段
天文学的三个主要分支学科为：天体测量学、天体力学和天体物理学.其研究手段是以观测为主,结合综合理论分析.
考核要求：
掌握上述基本教学内容.
第一章 宇宙概观
教学要点：
了解地月系、太阳系、恒星、银河系及河外星系.
教学时数：
3学时.
教学内容：
§1.1 地月系
地球和月球、太阳系中生命的摇篮——地球、地月系形体及年龄、月相.
§1.2 太阳系
天文学中的尺度概念、太阳、行星的特征.
§1.3 恒星世界
恒星数量及名称、运动及距离、体积和质量.
§1.4 银河系及河外星系
银河系、河外星系、星系以上的四级天体系统.
考核要求：
掌握地月系、太阳系,了解恒星、银河及河外星系概况.
第二章 天球坐标系
教学要点：
掌握建立天球坐标的基本原则,三种常用的天球坐标系,天体及太阳的视运动,天球赤道坐标系本身的运动.
教学时数：
2学时.
教学内容：
§2.1 建立球面坐标的基本原则
天球、球面的几何性质,建立球面坐标的三个条件.
§2.2 三种常用的天球坐标系
地平坐标系、赤道坐标系、黄道坐标系.
§2.3 天体的周日视运
不同纬度处天球的旋转、天体中天和永不升落的天体、天体的赤道坐标与地平坐标的换算.
§2.4 太阳的周年视运动
太阳周年视运动与地球公转及黄经的关系,不同纬度处太阳视运动的轨道,日地距离与四季的关系.
§2.5 天球赤道坐标系本身的运动
岁差与地球自转轴进动及岁差的后果,章动、黄赤交角的变化与地球极移.
考核要求：
重点掌握三种常用天球坐标系及太阳周年视运动规律.
第三章 时间序列
教学要点：
了解恒星时与平太阳时及换算,区时与世界时,历法及现代时间服务工作.
教学时数：
3学时.
教学内容：
§3.1 恒星时与平太阳时
§3.2 区时与世界时
地方时与区时,世界时与国际日期变更线,时间与地理纬度的关系.
§3.3 恒星时与平时的换算
时间间隔的换算,时刻的换算,天体时角的换算.
§3.4 历法
现行公历,中国农历,纪年和儒略日,干支纪年法.
§3.5 现代时间服务工作
时间计量的现代概念,国际时间服务、协调世界时.
考核要求：
重点掌握恒星时、平太阳时、区时与世界时及历法概况.
第四章 行星系统
教学要点：
了解万有引力定律和行星运动方程,行星运动轨道和视运动规律,行星际航天器的轨道问题及太阳系小天体.
教学时数：
3学时.
教学内容：
§4.1 万有引力定律和行星运动方程
万有引力定律 、开普勒行星运动三定律及其意义、摄动力及潮汐现象和洛希极限.
§4.2 行星运动轨道和视运动规律
轨道根数,行星的视运动规律,日食和月食.
§4.3 星际飞行器的轨道问题
二体问题中速度与轨道的关系、三种宇宙速度、现代航天技术简介.
§4.4 太阳系小天体
小行星、彗星、流星和陨石.
考核要求：
本章重点掌握万有引力定律、开普勒行星运动定律、行星的视运动规律,日食和月食以及太阳系小天体的情况.
第五章 恒星
教学要点：
恒星物理方法、运动位置及参数,主星序、双星、星团、星云星际物质和不稳定恒星.
教学时数：
3学时.
教学内容：
§5.1 恒星物理方法
电磁波谱和天文大气窗口,恒星的亮度、星系、光度、恒星光度测量、恒星的光谱和分光测量,量子力学简介及在恒星物理中的应用.
§5.2 恒星的位置及运动参数
§5.3 主星序
光谱型、赫罗图及主序星.
§5.4 双星
双星及其发现、食双星、分光双星、密近双星、双星法测定恒星的质量.
§5.5 星团、星云、星际物质
§5.6 不稳恒星
脉动变量,非径向脉动和特殊变量,耀星、新星和超新星.
考核要求：
重点了解恒星物理方法、主星序、双星、星图、星云、星际物质和变星.
第六章 星系
教学要点：
了解星系的分类、星系红移和哈勃常数、本星系群、星系团和超星系团及主要活动星系.
教学时数：
3学时.
教学内容：
§6.1 宇宙岛之争
§6.2 星系的分类
椭圆星系,旋涡星系,棒旋星系,不规则星系.
§6.3 星系红移和哈勃常数
星系光谱线的红移与宇宙的膨胀,哈勃关系 V＝HD（H—哈勃常数）.
§6.4 本星系群
本星系群的基本形态组成和构造.
§6.5 星系团和超星系团
星系团、超星系团情况概观.
§6.6 活动星系
初步了解射电星系、爆发星系、塞佛特星系、蝎虎坐BL型天体（BL Lac天体）,互扰星系.
考核要求：
掌握星系的分类,哈勃关系.了解本星系,星系团和超星系团,活动星系的概况.
第七章 当代天文学的新视野
教学要点：
天文观测设施概况及分类,全波段天文学的意义,20世纪90年代国际著名大型天文光学望远镜、射电望远镜简介,空间天文探测设施,我国现代天文望远镜发展计划概况.
教学时数：
3学时.
教学内容：
§7.1 从光学望远镜到全波段天文学
望远镜的功能,天文光学望远镜的类型,天文望远镜的制造简史,大型光学望远镜的技术限制,全波段天文学.
§7.2 20世纪90年代的大型天文学望远镜巡礼
美国Keck I和Keck II 10m望远镜,欧洲南方天文台甚大望远镜（VLT）,双子星座望远镜（GEMINI）,11m光谱巡天望远镜（SST）,日本昴星团望远镜（SUBARU）,美国——意大利双筒哥伦布望远镜（Golumbus）.
§7.3 现代大型射电天文望远镜巡礼
美国毫米波阵列望远镜（MMA）,美国甚长基线阵（VLBA）,美国110m口径毫米波射电望远镜,英国微波联线干涉网（MERLIN）,欧洲甚长基线干涉网（EVN）,印度巨型米波射电望远镜阵（GMRT）.
§7.4 空间天文探测设施简况
原苏联的载人飞行月球探测,美国阿波罗登月行动,水手号和海盗号探测器,先驱者和旅行者的行星探测,哈勃空间望远镜（HST）,伽里略号木星探测器和卡西尼号土星探测器,新一轮的火星探测,目前轨道上的其它天文探测设施.
§7.5 我国现代天文望远镜发展计划
大天区面积多目标光纤光谱望远镜（LAMOST）,口径1000m超大型射电望远镜（LRT）,太阳空间望远镜（SST）.
考核要求：
掌握天文望远镜的功能、类型、全波段天文学的含义,当代国际著名天文观测设施及发展概况,我国当前天文望远镜发展计划.
第八章 20世纪60年代天文学四大发现
教学要点：
了解20世纪60年代天文学四大发现及其重要意义.
教学时数：
2学时.
教学内容：
§8.1 脉冲星
脉冲星的发现及构造.
§8.2 类星体
类星体的发现空间分布,红移极限问题,红移星的本质,类星体的本质.
§8.3 3K宇宙背景辐射
3K宇宙背景辐射的偶然发现及在天文学上的重大意义.
§8.4 星际有机分子
星际有机分子的发现及对天体演化史和地外生命演化探索的意义.
考核要求：
了解20世纪60年代天文学四大发现概况及其意义.
第九章 恒星的能源和演化机制
教学要点：
了解恒星的能源机制,主序和主序前期、主序后的演化及恒星演化的最终结局.认识恒星演化的基本模式.
教学时数：
2学时.
教学内容：
§9.1 恒星的能源
爱丁顿的假说和原子内部结构模式,夸克、中微子和反物质,质子—质子反应和碳—氮—氧循环,中微子失踪悬案的破解与诺贝尔物理学奖.
§9.2 主序和主序前期
主序星的理论模型,不同质量的主序星,主序前的情况,恒星早期演化框图.
§9.3 主序后的演化
氦后元素的热核反应,小质量恒星的晚期演化,中等质量恒星的晚期演化,大质量恒星的晚期演化,密近双星的深化,两类超新星.
§9.4 恒星演化的最终结局
简并及两个重要极限,恒星晚期的演化框图,泡利不相容原理与电子在原子中的运动状态.
考核要求：
认识恒星能源机制及其与原子核物理、高能物理学关系,恒星基本理论模型及演化规律.
第十章 黑洞
教学要点：
了解黑洞的数学、物理机制,黑洞的奇妙性质,黑洞的探测及其当代天体物理学的一些前沿问题,爱因斯坦、霍金的巨大贡献.
教学时数：
3学时.
教学内容：
§10.1 黑洞的数字模型
爱因斯坦广义相对论简介,Karl Schuarzschild无转动引力半径 及R.P.kerr转动非球形黑洞引力半径 .
§10.2 黑洞的物理机制
奥本海默极限及引力塌缩的结论——奇点.
§10.3 黑洞的奇妙性质
视界,引力潮,时空特性,时间冻结,黑洞无毛和黑洞蒸发,旋转黑洞造成的时空旋涡,黑洞之间的碰撞.
§10.4 黑洞的天文探测
探测途径及存在的困难.
§10.5 当代天体物理学的前沿问题介绍
1．巨型黑洞和微型黑洞.
2．活动星系核和类星体的能源机制,黑洞—吸积盘—喷流模型简介.
3．宇宙深处的 射线暴（GRB）.
4．引力透镜效应—广义相对论的观测证据,白洞和虫洞的概念.
5．黑洞理论的困难,天文学对“量子引力理论”的期待.
考核要求：
认识了黑洞的基本机制和性质,了解当代天文学发展前沿的一些主要问题.
第十一章 地外文明
教学要点：
了解生命及其起源概要,地外生命存在的科学依据及探索的艰巨性,人类已作出的探测努力及其对太阳系行星、月球等的探测,UFO现象.
教学时数：
3学时.
教学内容：
§11.1 生命的含义与生命起源概述
生命起源论.
§11.2 地外生命存在的科学依据
生命存在的前提,生命存在的环境条件,有关地外生命的观测和实验.
§11.3 地外文明探索的艰巨性和已作出的努力
艰巨性、行星的探测,信号的监听与发送.
§11.4 太阳系内的地外生命问题及UFO现象
月球、水冰的发现,对火星生命的探测,对木星、土星及其卫星的考察及UFO现象辨疑.
考核要求：
地外生命存在的科学依据,对地外文明探索的艰巨性认识,已作出的探测和考察,质疑UFO.
第十二章 宇宙模型论
教学要点：
宇宙学和宇宙学原理,牛顿和爱因斯坦的宇宙模型,伽莫夫大爆炸模型,稳恒态宇宙模型,标准的大爆炸宇宙模型,与现代宇宙学模型相关的几个前沿问题.
教学时数：
5学时.
教学内容：
§12.1 宇宙学和宇宙学原理
观测宇宙学和理论宇宙学,宇宙学原理的基本含义.
http://www.cublog.cn/u/4206/showart_135326.html
http://www.cnmaths.com/zttj/ShowArticle.asp?ArticleID=368