中科大天文学史课件09万有引力定律的发现和证实

第九讲

万有引力定律的发现和证实一、万有引力定律的发现二、万有引力定律的证实一、万有引力定律的发现1．牛顿生平简介

牛顿（IsaacNewton,1642－1727）1642年12月25日（新历1643年1月4日）出生于英国林肯郡沃尔斯索普村。

12岁进格兰瑟姆文科中学。

18岁进剑桥大学三一（Trinity）学院学数学。

24岁进入该校教师团。

25岁获硕士学位。

26岁任数学教授职位。

60岁（1703年）起任英国皇家学会会长。

1727年3月20日（新历3月31日）逝世。

伊萨克·

牛顿（1642——1727）上:牛顿亲手所绘青少年时代住所

左:牛顿画像牛顿的观测室

牛顿在科学史上是一位划时代的人物，树立了一个里程碑。2．发现万有引力定律的背景

16世纪前亚里士多德的见解。

1586年比利时力学家斯台文（S．Stevin,1548－1620）的发现。

伽利略的斜面实验和抛射体运动的研究。区

分速度和加速度的概念。

开普勒探讨太阳驱动行星。

1659年惠更斯由单摆摆动得圆周运动规律：向心加速度与速度平方成正比与距离成反比。（于1673年发表）。j＝V2／R

（1）

1673年后英国科学家胡克(R.Hooke,1635—1702)、哈雷（E．Halley,1656－1742）和雷恩（C.Wren，1632—1723）讨论太阳引力与行星距离关系。行星1和行星2据开普勒第三定律满足：

T22／T12＝R23／R13

（2）用行星的轨道速度为

V1＝2πR1／T1，V2＝2πR2／T2，上式代入（1）得

j1／j2＝R1／R2·T22／T12

（2）式代入上式得：

j1／j2＝R12／R22

（3）（3）式表明：太阳引力与距离平方成反比。（1679）3．牛顿的研究（1）抛射体绕地球的运动（2）月球绕地球的运动

V＝2πR／T

R＝384400km,T=27．32天

j＝V2／R

＝4π2R／T2

（4）

j＝0.27cm/s2

月球处地球重力加速度a，地面重力加速度为g：

g/a＝r2/R2

（5）

g＝981cm／s2，r＝6371km

a＝0．27cm／s2。

（3）行星绕日运动的推广

牛顿用流量和流数理论（即微积分）作计算推导出太阳对行星的引力与行星离太阳的距离平方成反比。

1685年用流量和流数理论证明等密度球层球体相当于质量集中于质心。1687年出版《自然哲学的数学原理》（Philosophiæ

NaturalisPrincipia

Mathematica），提出完整的万有引力定律。（4）太阳系天体的轨道证明在万有引力作用下，轨道是圆锥曲线。（5）论证并修正了开普勒行星运动定律

T12

（M+m1）

R13

T22

（M+m2）

R23

（6）一些重要天文现象的解释

（i）行星绕轴自转成为扁球体。

(ii)

岁差的成因。

(iii)

潮汐的成因。圆锥曲线示意图岁差引起的北天极的移动岁差的力学解释4．牛顿成就原因简析

（1）异常勤奋，继承前人成果。牛顿说：“如果说我比笛卡尔看得远一点，那是因为我站在巨人的肩上。”

（2）科学的研究方法。继承培根（F．Bacon,1561—1626）重视归纳法的传统。二、万有引力定律的证实

1．哈雷彗星回归的预言

1705年哈雷发表《彗星天文学概论》，以万有引力定律计算历史上24颗彗星轨道。发现1682、1607、1531年的彗星轨道根数几乎相同。预言将于1758年回归。在他逝世后16年，彗星再度出现。哈雷（1656—1742）哈雷计算的彗星星历表哈雷彗星的轨道2．孤立大山的引力使铅垂线偏转

1774年格林尼治天文台台长马斯基林（N.Maskelyne,1732—1811）测苏格兰希哈里恩山南北纬度差。天文观测值为54.6″，大地测量为42.94″。证实大山的引力使铅垂线偏转。孤立大山两边铅垂线的偏离3．万有引力常数的测定

万有引力定律的表达式为

F＝GMm/r2

1798年英国物理学家卡文迪许（H．Cavendish,

1731—1810）通过扭秤实验求得G。卡文迪许的实验示意图4．海王星的发现

1781年由英国天文学家威廉·

赫歇尔

（WilliamHerschel,1738—1822）发现了

天王星。它的位置的理论值与观测值产生偏差。

1845年9月J．C．亚当斯（J．C．

Adams,1819—1892）算出未知行星轨

道。先后向查利斯（J．Challis,1803—1882）和艾里（G.B.Airy,1801—1892）报告。

威廉·赫歇尔（1738—1822）威廉·赫歇尔创作的乐曲和制作的望远镜

亚当斯（1819—1892）勒威耶（1811—1877）

1846年8月法国勒威耶（U.J．J．LeVerrier,1811—1877）发表“论使天王星失常的行星，它的质量、轨道和现在位置的决定”。9月写信给柏林天文台的伽勒（J.G.Galle,1812—1910）。9月23日发现。被命名为海王星。证实了哥白尼日心体系和万有引力定律。勒威耶1845年绘制的天王星黄经的偏差伽勒（1812—1910）发现海王星时所用的柏林科学院星图艾里（1801—1892）及其漫画像5．对恒星暗伴星的预言和发现

1834年贝塞尔（F.W.Bessel,1784—1846）发现天狼星自行不是直线，预言有伴星。1840

年发现南河三亦然。

1862年A.G.

克拉克（A.G.Clark，1832－

1897）发现天狼星暗伴星。

1892年，舍伯尔（J.M.Schæberle,1853—1824）发现南河三暗伴星。证实万有引力定律适用于恒星世界。天狼星及其伴星的自行轨迹

天文学史期终考题(论文提纲)

主要论文：略论现代天文学发展的渊源和流变（约2000字）源：古希腊天文学，要求阐述其特点并结合这些特点说明之所以能成为现代天文学之源的原因。流：以天文学史上里程碑式的事件（或由人物体现）贯穿起来，要求说明每一个事件在现代天文学发展史上的意义。

这些人物和事件主要有（以下列出的仅供参考）：

托勒玫