地球上能观测到的最瞩目的天文现象莫过于太阳周而复始的东升西落.
那么，怎样准确地界定这种周期性现象的周期呢？假设我们身处北半球，在地球表面垂直于水平面立起一根直杆，然后连续不断地观察杆在太阳光下影子的长度，则相邻两次的杆影最短之间的时间就是一天，大约为24小时，也是太阳东升西落的周期.
记录白天里当杆影达到最短时的杆影方向，这就是地面上的正北方向.夜晚，我们沿此方向抬头观察星空，会发现星空缓缓地绕着一个点按顺时针旋转，每小时旋转约15°，而这个旋转中的不动点就是北极星.
此时，也许我们会产生疑惑，到底是群星在绕地球转动，还是地球在自转？从地球上看，绕地球运动的月亮和太阳的相对位置始终在变化.如果群星绕地球转动，那多少应该有些星星，彼此的相对位置会发生变化，但这与观测的事实并不相符.那我们就只能考虑地球在自转，而群星因为离地球太过遥远，就近似的看作是不动的.如果群星是不动的，那相对的就是地球在转动，且每小时旋转15°，而一周是360°，由此地球旋转一周所需要的时间就是
正好与太阳东升西落的周期相同.这肯定不是什么巧合，唯一合理的解释是，我们一天中看到的太阳东升西落的现象，其实是因为地球自转而产生的，也就是地球的自转效应.
为了更清楚地描述地球的运动和观测点在地球的位置，需要在地球球面上建立经纬系统.根据地球的自转运动下北极星保持不动这一特点，称过球心与北极星的直线为地球自转运动的自转轴.自转轴的方向变化非常缓慢，在有限的时间里，我们可以认为自转轴的方向是不变的.自转轴与地球表面靠近北极星的交点为北极，反方向的交点为南极.地球球面上与自转轴垂直的大圆为赤道，赤道所在的平面称为赤道面.球面上与赤道面垂直的大圆称为经线圈，与赤道面平行的小圆称为纬线圈.举例来说，比如前面提到，我们在北半球表面垂直于水平面的方向上，立起一根长竿（图5-7），设立杆处为点P，测量杆与点P到北极星连线的夹角为α，也就是杆与自转轴的夹角为α，则点P的纬度为（90°-α）.
图5-7
在经过相当长一段时间的观测后，有一些现象我们一定不会忽略.例如，若我们继续在白天中连续观察杆影，并记录每天的最小值和最大值，会发现每日影长的最值，呈现出以365天为周期的周期性变化；又如，我们会发现傍晚群星升起的时刻每天大致提早4分钟，星空背景也呈现出以365天为周期的周期性变化.
要思考出现这些周期性现象的原因，人们提出两种猜测：一是太阳绕地球公转且周期为365天，称之为地心说；二是地球绕太阳公转且周期为365天，称之为日心说.两种猜测都可以解释为什么群星每天提早4分钟升起.接下来，我们给出日心说下的解释，读者可自行给出在地心说下的解释.
在第一天日落时，地球E、星星T与太阳S位置关系如图5-8所示，到第二天日落时，地球转到E′位置，共转过了（360°+α），用时24小时，合1 440分钟，设星星T早升起的时间为t分钟，则有
解得
近似为4分钟.
图5-8
这就是地球的自转轴与黄道面所成的角.因为自转轴是赤道面的法线，赤道面与黄道面所成的夹角为
图5-9(www.xing528.com)
正是因为赤道面与黄道面有倾斜，地球上才有四季（图5-10）.当太阳光直射北纬23.5°时，北半球就处于夏至；当太阳光直射南纬23.5°时，北半球就处于冬至.由夏到冬经过秋季，由冬到夏经过春季.在春季中，太阳直射赤道的一天就是春分，同样在秋季中，太阳直射赤道的一天就是秋分.
图5-10
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