第一節(jié) 行星的運(yùn)動(dòng) - 物理學(xué)史

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1、 托 勒 密 哥白尼天上的立法者布拉赫- 第谷天才的觀測(cè)家 約翰尼斯- 開普勒 數(shù)學(xué)天才 時(shí)代背景 在 神 權(quán) 統(tǒng) 治 下 ， “ 天 體 ” 被 稱 為 “ 圣 岸 ” ， 它 只 屬 于 神 不 屬 于 科 學(xué) 。 按照 圣 經(jīng) 的 說 法 ： 天 空 充 滿 各 種 等 級(jí) 的 “ 天 使 ” 和 一 個(gè) 套 著 一 個(gè) 的 水 晶球 ， 而 靜 止 不 動(dòng) 的 地 球 居 于 這 些 水 晶 球 的 中 心 。 太 陽 圍 繞 著 地 球 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 因?yàn)?上 帝 創(chuàng) 造 太 陽 的 目 的 ， 就 是 要 照 亮 地 球 ， 施 恩 與 人 類 。 至 于 天 體 的 運(yùn) 轉(zhuǎn) ， 是

2、 因 為 每 一 個(gè) 天 體 都 有 一 個(gè) 天 使 在 拉 著 他 走 。 天 體 的運(yùn) 轉(zhuǎn) 取 決 于 “ 天 使 ” 的 意 識(shí) ， 而 天 使 的 意 志 是 人 類 不 能 揣 摩 的 。 如 果 人 類能 夠 解 決 一 些 問 題 ， 那 是 因 為 上 帝 通 過 天 體 對(duì) 我 們 做 啟 示 。 時(shí)代背景 公 元 2世 紀(jì) ， 古 希 臘 天 文 學(xué) 家 托 勒 密 總結(jié) 前 人 400年 的 觀 察 ， 完 成 天 文 集 ， 提出 “ 地 球 是 宇 宙 的 中 心 ” 。 因 為 與 圣 經(jīng) 中 的 記 載 相 一 致 ， 被 中 世 紀(jì) 的 神 學(xué) 家 們 奉 若質(zhì)

3、 保 ， 被 神 學(xué) 家 所 利 用 和 把 持 了 1400多 年 。 即 使 當(dāng) 時(shí) 發(fā) 現(xiàn) 很 多 與 地 心 說 不 符 的 現(xiàn) 象 ， 礙 于 神 權(quán) 統(tǒng) 治 和 人 們 思想 的 封 建 ， 都 沒 有 人 敢 提 出 反 對(duì) 的 聲 音 。 哥白尼天上的立法者哥 白 尼 的 天 體 運(yùn) 行 是 1543年 出 版 的 。 他 提 出“ 太 陽 中 心 說 ” ， 遭 到 教 會(huì) 的 反 對(duì) 。新 教 會(huì) 首 領(lǐng) 路 德 嚴(yán) 厲 批 評(píng) 哥 白 尼 學(xué) 說 ： 這 位 天 文學(xué) 家 想 證 明 的 是 地 球 而 不 是 日 、 月 、 星 辰 在 運(yùn) 轉(zhuǎn) ，正 如 人 坐 在 車

4、 船 之 中 ， 以 為 人 是 靜 止 的 ， 而 說 土地 和 書 目 在 他 面 前 跑 過 一 樣 。 今 天 喜 歡 賣 弄 聰 明的 人 總 喜 歡 造 出 一 些 新 花 樣 ， 并 且 以 為 凡 是 自 己干 的 總 是 好 的 ， 傻 瓜 才 想 把 整 個(gè) 天 文 學(xué) 推 翻 。 哥 白 尼 天 體 運(yùn) 行 出 版 后 ， 羅 馬 教 廷 并 沒 有 立 馬 解 決 這 個(gè) 危 害 ， 容 忍了 它 存 在 70多 年 ， 這 也 讓 更 多 的 天 文 研 究 者 看 到 了 它 。 時(shí)代背景 約翰尼斯- 開普勒 數(shù)學(xué)天才公 元 前 1571年 12月 27日 ， 約

5、翰 內(nèi) 斯 開 普 勒 出 生在 德 國(guó) 符 騰 堡 的 小 鎮(zhèn) 。開 普 勒 剛 出 生 ， 家 族 就 開 始 日 漸 衰 弱 了 。開 普 勒 自 小 就 體 弱 多 病 ， 他 的 視 力 很 差 ， 不僅 僅 是 近 視 ， 還 散 光 。他 數(shù) 學(xué) 非 常 好 ， 還 學(xué) 習(xí) 了 古 希 臘 語 和 拉 丁 語 。1594年 ， 開 普 勒 還 沒 有 結(jié) 束 碩 士 的 學(xué) 習(xí) ， 就 接 到 了 教 會(huì) 學(xué) 校 的 數(shù) 學(xué) 教 師的 任 命 ， 并 且 可 以 參 加 年 歷 的 編 制 工 作 。 1595年 開 普 勒 出 版 了 自 己 的 處 女 作 宇 宙 的 奧 秘

6、 ， 并 將 書 寄 給 了 第 谷 。 第 谷 出 身 于 丹 麥 貴 族 家 庭 ， 14歲 因?yàn)?一 次 日 食 對(duì) 天 文 學(xué) 產(chǎn) 生 濃 厚 的 興 趣 。他 有 很 高 的 觀 測(cè) 才 能 ， 深 受 丹 麥 國(guó) 王 的賞 識(shí) 。 但 是 丹 麥 國(guó) 王 去 世 了 ， 沒 有 了 支持 者 ， 被 極 度 的 臣 子 驅(qū) 趕 離 開 了 丹 麥 。但 是 愛 好 天 文 學(xué) 的 奧 地 利 國(guó) 王 “ 普 道 爾夫 二 世 ” 支 持 了 他 嗎 ， 在 布 拉 格 為 他 建造 了 一 個(gè) 天 文 臺(tái) 。 布拉赫- 第谷天才的觀測(cè)家 1590年 4月 27日 ， 開 普 勒 和

7、 一 個(gè) 磨 坊 主的 女 兒 結(jié) 婚 。 他 的 妻 子 家 比 較 富 有 ， 生 活 有了 保 障 ， 他 可 以 安 心 的 搞 他 的 學(xué) 術(shù) 研 究 。 但 是 很 不 幸 . 他 婚 內(nèi) 接 連 失 去 一 個(gè) 兒 子 和 一 個(gè) 女 兒 ， 都 是出 生 沒 幾 年 就 夭 亡 了 . 與 此 同 時(shí) ， 當(dāng) 時(shí) 的 反 宗 教 革 命 活 動(dòng) 使 得 在 教會(huì) 任 職 的 開 普 勒 慘 遭 驅(qū) 趕 . 遠(yuǎn) 在 布 拉 格 的 帝 谷 聽 說 了 開 普 勒 的 遭 遇 ， 邀 請(qǐng) 開 普勒 來 到 布 拉 格 ， 幫 助 他 一 起 完 成 觀 測(cè) 行 星 運(yùn) 行 的 工

8、作 。與 1600年 ， 開 普 勒 出 事 后 ， 他 來 到 了 布 拉 格 ， 當(dāng) 弟 谷 的觀 測(cè) 行 星 運(yùn) 行 的 得 力 助 手 。好 景 不 長(zhǎng) ， 沒 有 多 久 ， 第 谷 生 病 不 治 去 世 了 ， 將 珍 貴 的 20年 的 觀 測(cè) 數(shù) 據(jù) 留 給 了 開 普 勒 。 1609年 夏 天 ， 開 普 勒 新 天 文 學(xué) 出 版 ， 這 部 書 的 第 44章 記 錄 了他 概 括 的 行 星 的 運(yùn) 動(dòng) 兩 條 定 律 。1. 橢 圓 定 律2. 面 積 定 律距 離 他 1600年 拿 到 第 谷 手 稿 ， 已 有 九 年 。 1619年 ， 開 普 勒 在 宇

9、 宙 和 諧 論 發(fā) 表 這 一 發(fā) 現(xiàn) .即 開普 勒 第 三 定 律 。 歷 時(shí) 19年 。 開 普 勒 一 直 就 體 弱 多 病 ， 在 加 上 當(dāng) 時(shí) 他 在 德 國(guó) ， 皇 帝 和權(quán) 貴 都 大 肆 揮 霍 ， 長(zhǎng) 期 拖 欠 他 的 薪 水 ， 使 得 他 晚 年 生 活 無 著 ，不 得 不 長(zhǎng) 途 跋 涉 索 取 欠 薪 ， 最 后 潦 倒 在 異 鄉(xiāng) 客 棧 ， 貧 病 而 死 。1630年 11月 15日 ， 開 普 勒 去 世 ， 客 死 異 鄉(xiāng) ， 身 邊 無 一 親 人 。年 僅 59歲 。 20世 紀(jì) 英 國(guó) 物 理 學(xué) 家 盧 瑟 福 說 過 ：任 何 一 個(gè)

10、人 都 不 可 能 突 然 作 出 重大 的 發(fā) 現(xiàn) ， 因 為 這 部 符 合 事 物 發(fā)展 的 規(guī) 律 。 科 學(xué) 是 一 步 一 步 的 前進(jìn) 的 ， 每 個(gè) 人 都 要 一 考 前 輩 的 工作 .科 學(xué) 家 不 是 一 考 某 個(gè) 人的 思 想 、 而 是 一 考 千 人 凝 聚 的 智慧 。 開 普 勒 發(fā) 現(xiàn) 行 星 運(yùn) 行 定 律 正是 體 現(xiàn) 了 知 識(shí) 的 繼 承 、 積 累 和 發(fā)展 。 開 普 勒 行 星 運(yùn) 動(dòng) 定 律 二 、 開 普 勒 行 星 運(yùn) 動(dòng) 定 律開 普 勒 第 一 定 律（ 軌 道 定 律 ） 所 有 行 星 繞 太 陽 運(yùn) 動(dòng) 的 軌 道 都 是 橢

11、圓 ， 太 陽 處 在 橢 圓 的 一 個(gè) 焦 點(diǎn) 上 二 、 開 普 勒 行 星 運(yùn) 動(dòng) 定 律開 普 勒 第 二 定 律（ 面 積 定 律 ） 對(duì) 任 意 一 個(gè) 行 星 來 說 ， 它 與 太 陽 的 連線 在 相 等 的 時(shí) 間 內(nèi) 掃 過 相 等 的 面 積 二 、 開 普 勒 行 星 運(yùn) 動(dòng) 定 律開 普 勒 第 三 定 律（ 周 期 定 律 ） 所 有 行 星 的 軌 道 的 半 長(zhǎng) 軸 的 三 次 方 跟它 的 公 轉(zhuǎn) 周 期 的 二 次 方 的 比 值 都 相 等表 達(dá) 式 ： 半 長(zhǎng) 軸 行 星 繞 太 陽公 轉(zhuǎn) 周 期 k只 與 中 心 天體 有 關(guān) 三 、 行 星 運(yùn) 動(dòng) 的 近 似 處 理實(shí) 際 上 ， 行 星 的 軌 道 與 圓 十 分 接 近 ， 在 中 學(xué) 階 段 的 研 究我 們 按 圓 軌 道 處 理1.行 星 繞 太 陽 的 運(yùn) 動(dòng) 軌 道 十 分 接 近 圓 ， 太 陽處 在 圓 心 ；2.對(duì) 某 一 個(gè) 行 星 來 說 ， 它 繞 太 陽 做 圓 周 運(yùn) 動(dòng)的 角 速 度 （ 或 線 速 度 ） 大 小 不 變 ， 即 行 星 做勻 速 圓 周 運(yùn) 動(dòng) ；