【课件】行星的运动+课件高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

7.1

行星的运动

1.哥白尼与“天体运行论”

哥白尼与“天体运行论”哥白尼日心体系的提出，是自然科学向神学的第一次严正挑战，标志着自然科学从神学中独立出来。哥白尼是波兰伟大的天文学家，十岁父亲去世，被舅父收养，其舅父是当地的主教，很注意对哥白尼的培养。18岁入克拉科夫大学学习数学和天文学；在这里受到文艺复兴运动思想的影响。1496年到文艺复兴的意大利留学，波伦亚大学天文学教授诺瓦拉(Novara)关于托勒密体系过于复杂，不符合数的谐和原则的评论，对哥白尼产生了影响。在留学期间，他还阅读了大量古希腊学者的著作，受到了其中有关地球运动的思想的启发，为他创立新的宇宙体系奠定了思想基础。

哥白尼与“天体运行论”1503年，哥白尼回到波兰后，在担任牧师职务期间坚持进行天文学观测和新的宇宙体系的研究。当时的欧洲正处在黑暗的中世纪的末期。亚里士多德－托勒密的地球中心说早已被基督教会改造成为基督教义的支柱。然而,由于观测技术的进步,在托勒密的地心体系里必须用八十个左右的均轮和本轮才能获得同观测比较相合的结果，而且这类小轮的数目还有继续增加的趋势。当时一些具有进步思想的哲学家和天文学家都对这个复杂的体系感到不满。哥白尼接受了这种进步思想。他在意大利时研究过大量的古希腊哲学和天文学著作。他赞成毕达哥拉斯学派的治学精神，主张以简单的几何图形或数学关系来表达宇宙的规律。他了解到古希腊人阿利斯塔克等曾有过地球绕太阳转动的学说，受到很大启发。哥白尼与“天体运行论”哥白尼分析了托勒密体系中的行星运动，发现每个行星都有三种共同的周期运动,即:一天一周、一年一周和相当于岁差的周期运动。他认为，如果把这三种运动都归到被托勒密视为静止不动的地球身上，就可消除他的体系里不必要的复杂性。只有月球绕地球转动。恒星则在离太阳很远的一个天球面上静止不动。这样，哥白尼提出了一个以太阳为中心的宇宙体系。在这个体系中，天体从远到近的顺序是：恒星不动；土星，30年转一周；木星，12年一周；火星，2年一周；地球和月亮一年一周；金星，9个月一周；水星，80天一周等。哥白尼把统率整个宇宙的支配力量赋予太阳，而各个天体则都有其自然的运动。哥白尼与“天体运行论”由于担心教会谴责，他迟迟没有公开发表自己的见解。1530年，哥白尼才将他的学说写成一个小册子《纲要》，以手稿形式在友人中流传。直到1542年，在他生命垂危之际，才同意将他的主要著作《天体运行论》交付印行。并且在书的序中写明，将他的著作献给教皇保罗三世。他认为，在这位比较开明的教皇的庇护下，《天体运行论》也许可以问世。除了这篇序之外，《天体运行论》还有另外一篇别人写的前言。前言中说，书中的理论不一定代表行星在空间的真正运动，不过是为编算星表、预推行星的位置而想出来的一种人为的设计。哥白尼与“天体运行论”应该说，哥白尼并不是一个想要彻底推翻全部传统观念的革命派，而是一个深受毕达哥拉斯学派思想影响的人，他的出发点是：考虑能否用尽可能少的匀速圆周运动的组合来构造一个宇宙体系，以符合毕达哥拉斯学派的简单、均匀等和谐思想。因此，在很大程度上可以说，哥白尼太阳中心说体系的建立，是深受毕达哥拉斯学派和谐思想影响的结果。哥白尼与“天体运行论”在1543年出版的《天体运行论》的第一卷中，哥白尼明确的把地球从宇宙中心的位置排除开去，提出地球自身有三种运动：①地球自西向东绕轴昼夜自转；

②地心同地球上的一切周年旋转，在金星与火星轨道间的黄道上从西向东运行；

③倾斜面的运动，即赤道面或自转轴相对日--地联线的运动。哥白尼认为，古人为了建立一种地球静止于宇宙中心的体系，而把地球自身的三种运动加给了每一个天体，这使他们的宇宙体系人为地复杂化了。他质问到：“为什么不承认天穹的周日旋转只是一种视运动，实际上是地球运动的反映呢？”

地心说的非难和攻击：①如果地球以24小时转一圈的速度快速旋转，地球早就会分崩离析了；②由于地球在运动，落体也不会垂直下落了；云和空气中的一切都会被抛向西方。哥白尼对地心说的驳斥：①地球运动是自然运动，而不是受迫运动，受迫运动才会分崩离析，自然运动总是平稳的；另外，他还说：“为什么不替比地球大的多而又运动的快的多的宇宙担心呢？在快速运动的离心力作用下，天穹不是变得更加广阔，以至瓦解了吗？”②关于第二个问题，哥白尼的回答是这样的：一、可能是近地面的空气中含有水和土的混合物，它们遵循和地球一样的自然法则；二、可能是由于这部分空气靠近地球而又不受阻力，从而从旋转着的地球获得了运动。“天体运行论”的伟大意义《天体运行论》出版后很少引起人们的注意。一般人不能了解，而许多天文工作者则正如奥塞安德尔所说的那样，只把这本书当作编算行星星表的一种方法。《天体运行论》在出版后七十年间，虽然遭到马丁•路德的斥责，但未引起罗马教廷的注意。后因布鲁诺和伽利略公开宣传日心地动说，危及教会的思想统治，罗马教廷才开始对这些科学家加以迫害，并于公元1616年把《天体运行论》列为禁书。因为它摧毁了“人类中心”和“天界是神圣的”等神学观念，严重冒犯了神学教条。然而经过开普勒、伽利略、牛顿等人的工作，哥白尼的学说不断获得胜利和发展；恒星光行差、视差的发现，使地球绕太阳转动的学说得到了令人信服的证明。哥白尼的学说不仅改变了那个时代人类对宇宙的认识，而且根本动摇了欧洲中世纪宗教神学的理论基础。“从此自然科学便开始从神学中解放出来”，“科学的发展从此便大踏步前进”“天体运行论”被誉为自然科学的独立宣言。恒星土星木星火星地球和月亮金星水星托勒密和哥白尼天体图对比2.第谷的天文观测丹麦人，生于贵族家庭，1576年在丹麦国王腓特烈二世资助下在哥本哈根海峡的一个小岛上修建了一座完善的天文台，测量精度较前人提高了几十倍至上百倍，在21年的观测中，各行星角位置的误差仅为2’(即0.033°)。他将亚里士多德理论和哥白尼体系进行了折中，认为，除地球和围绕它的月亮外，其他天体都绕太阳运转，太阳率领众行星围绕地球运转，地球是静止不动的。被人誉为“星学之王”。腓特烈二世逝世后，第谷失去了资助。1599年，他在布拉格得到了奥皇卢道夫的一份赠款，于是他把部分仪器搬到了布拉格。在这里，他得到了一个青年助手开普勒。他们共同进行观察，直到1601年第谷去世。第谷使用的天文仪器第谷的墙壁象限仪3.开普勒与开普勒定律德国天文学家开普勒开普勒是一个深受毕达哥拉斯和柏拉图影响的数学家，他坚信上帝是按照完美的数学原则来创造世界的。他以数学的和谐来探索宇宙体系。在1596年发表的《宇宙的秘密》中，他用古希腊人已发现的五个正多边形和当时已知的六颗行星的轨道的套迭，来解释为什么它们又有这么大小的轨道。其安排是：一个半径等于土星轨道的球内，内接一个正六面体，正六面体的内切球即为木星的轨道；在木星轨道的球内，内接一个正四面体，正四面体的内切球就是火星的轨道；火星轨道内切球内，内接一个正十二面体，其内切球正是地球的轨道；地球轨道内接球的正二十面体，内切球是金星轨道，金星轨道内接球的正八面体，内切球是水星轨道。这样的安排表现出开普勒出色的想象力和数学才能，纯粹是一种偶然性，并带有数学神秘感。但却因此引起了第谷和伽利落的注意，并被第谷召为助手。天空的立法者开普勒是德国近代著名的天文学家、数学家、物理学家和哲学家。他以数学的和谐性探索宇宙，在天文学方面做出了巨大的贡献。被后世的科学史家称为“天空的立法者”。开普勒出生在一个贫民家庭，四岁时患上了天花和猩红热，导致视力衰弱，一只手半残。但开普勒顽强的进取精神，使其学习成绩一直名列前茅。1587年进入蒂宾根大学，在校中遇到秘密宣传哥白尼学说的天文学教授麦斯特林。在他的影响下，很快成为哥白尼学说的忠实维护者。大学毕业后，开普勒获得了天文学硕士的学位，被聘请到格拉茨新教神学院担任教师。后来，由于学校被天主教会控制，开普勒离开神学院前往布拉格，与第谷一起专心地从事天文观测工作。第谷死后，开普勒接替了他的职位，被聘为皇帝的数学家。但给他的薪俸很低，还时常拖欠不给。因此生活非常困苦。但开普勒却从未中断科学研究，并取得了天文学上的累累成果。地球和火星轨道的确定第谷在临终前将自己多年积累的天文观测资料全部交给了开普勒，再三叮嘱开普勒要继续他的工作，并将观察结果出版出来。开普勒接过了第谷尚未完成的研究工作。于是开普勒一边根据第谷的观测资料重新编制行星表，并于1627年出版了《卢道夫行星表》，一边进行着对行星轨道特点的研究。后来，开普勒在伽利略的影响下，通过对行星运动进行深入的研究，抛弃了柏拉图和毕达哥拉斯的学说，逐步走上真理和科学的轨道。对火星轨道的研究是开普勒重新研究天体运动的起点。因为在第谷遗留下来的数据资料中，火星的资料是最丰富的，而哥白尼的理论在火星轨道上的偏离最大。开始，开普勒用正圆编制火星的运行表，发现火星老是出轨。他便将正圆改为偏心圆。在进行了无数次的试验后，他找到了一个极近观事实方案。可是，依照这个方法来预测火星的位置，却跟第谷的数据不符，产生了8分的误差。地球和火星轨道的确定开普勒知道第谷观测数据的准确性，所以他没有将这一误差“观测范围内的允许误差”，而是认为自己的假设存在错误。正是这个8分的误差，使他走上了改革整个天文学的道路。于是他得出结论，火星轨道可能并不是一个圆周，也并不存在这样一个点，使星体绕该点的运动是匀速的。这样，束缚人们头脑两千年之久的柏拉图“匀速圆周运动”，第一次受到了怀疑。此后，开普勒转向了用第谷的观测数据去确定行星的运行轨道。从而发现火星轨道是一种椭圆，并进而发现每个行星都沿椭圆轨道运动，太阳就在一个焦点上，这就是轨道定律。接着又发现面积定律。上述两定律发表在1609年出版的《新天文学》上。在1619年出版的《世界的和谐》中公布了周期定律。开普勒的上述重要发现，为牛顿创立天体力学理论奠定了基础。开普勒是用数学公式表达物理定律并成功的人之一。从此开始，数学方程就成为表达物理定律的基本方式。地球和火星轨道的确定开普勒充分利用每组火星年的观测数据，从太阳、地球、火星处于一条直线的时刻开始描绘，经过一个火星年（687天），火星又回到同一位置，相对于恒星天球可以分别绘出从太阳和火星到地球的两条视线，他们的交点就是地球在轨道上的新位置。经过若干组每隔一个火星年的观测数据的处理，就可确定地球的轨道形状---椭圆。根据每天太阳视位置的记录，就可完全确定地球在轨道上的位置和沿轨道的运动速率。以同样的方法确定火星的轨道：即每经过一个火星年，根据太阳和地球的位置绘出指向火星的视线交点，必是火星轨道上的一点（即火星此时的位置）。利用若干组这样的数据，从而确定火星的轨道曲线。

开普勒三大定律开普勒第一定律：所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点上。开普勒第二定律：对任意一个行星来说，它与太阳的连线在相等的时间内扫过的面积相等。开普勒第三定律：所有行星轨道的半长轴的三次方跟它的公转周期的二次方的比都相等。开普勒的研究的意义开普勒的成就表明