5.1-从托勒密到开普勒

第5章 万有引力与航天,5.1 从托勒密到开普勒,夜晚，仰望苍穹，繁星闪烁，美丽的月亮把,我们带入了无限的遐想之中，这浩瀚无垠的宇宙,中有着无数的大小不一、形态各异的天体，它们,的神秘始终让我们渴望去了解，并不断地去探索。,让我们跨越千年时空，重温,古人对宇宙认识的发展历程。,天体究竟做,怎样的运动呢？,1.了解“地心说”“日心说”的建立及其发展,过程与科学家们的杰出工作。,2.理解行星运动的规律：“开普勒行星运动三大,定律”。,(重点),一.托勒密集古代天文学研究之大成,托勒密,托勒密（C.Ptolemaeus，,约90168），集古代天,文学、地理学、数学研究,之大成的古希腊学者。,托勒密的宇宙模型,中间： 地球,九重天：,月球 水星 金星,太阳 火星 木星,土星 恒星天 原动天,地心说,地球是宇宙的中心，地球是静止不动的，太,阳、月亮以及其他行星都绕地球运动，代表人物,是托勒密。,托勒密的理论在天文学研究上有一定的积极,意义。,如“天球”球壳对恒星进行定位的坐标系，,至今仍在天文观测中应用。,托勒密的宇宙模型是,以地球为参考系对天体运,动的直接观测结果的客观,描述。因此为了描述天体,的运动，其模型中竟用了,80多个轮子，重重叠叠，,令人头晕目眩。,“地心说”占据较长时间统治地位的原因是,它比较符合人们的日常经验，如：太阳从东边升起，,从西边落下，同时它也符合当时在政治上占统治,地位的宗教精神。,托勒密构筑的宇宙“地心体系”九重天模,型，当时被奉为“金科玉律”，一直传到15世纪。,“地心说”为什么能够占据较长的统治时间呢?,二.哥白尼迎来了科学的春天,十六世纪“日心说”创立之前的一千多年,中，“地心说”一直占统治地位，并长期为教会,所利用，宣称恒星天上面是最高天，也就是天神,的住所。由于这一学说没有反映行星运动的本,质，经不起长时间的观测检验，后来被哥白尼的,“日心说”推翻。,太阳,“日心说”模型,哥 白 尼,哥白尼的研究方法,长期的观测,哥白尼的新宇宙观,大胆的猜测,反复的计算,太阳是不动的，且位于宇宙的中心，包,括地球在内的所有行星都围绕太阳做匀速圆周运动。,日心说：,哥白尼的研究成就,在其巨著天体运行论中，完整地提出了宇宙,的日心体系学说，即太阳系模型。他根据观测资,料运用日心体系模型算出了每颗行星绕太阳运行,的周期，且在历史上第一次算出了每颗行星到太,阳的距离，从而也第一次给出了宇宙大小的尺度。,“日心说”对天体的描述大为简化，同时打破,了过去认为其他天体和地球截然有别的界限，是,一次真正的科学革命。,这种学说和宗教的主张是相反的。为宣传和,捍卫这个学说，意大利学者布鲁诺被宗教裁判活,活烧死，伽利略受到残酷的迫害。后人把历史上,这次勇敢的壮举形容为：“哥白尼拦住了太阳，,推动了地球。”,哥白尼“日心说”在历史上的影响,哥白尼“日心说”引起了天文学上的一次革,命，有力地推动了欧洲文艺复兴时期思想解放的,浪潮，迎来了近代科学的春天，从此“自然科学,便开始从神学中解放出来。”,为什么,“日心说”能战胜“地心说”?,“日心说”之所以能够战胜“地心说”,是因为,很,多,“地心说”不能解释的现象“日心说”则能说,明，就是说“日心说”比“地心说”更科学，更接,近事实。例如：若地球不运动，则昼夜交替是太阳,绕地球运动形成的，那么每天的情况就应相同，事,实上，每天白天的长短不同，冷暖不同，而“日心,说”则能说明这种情况：白昼是地球自转形成的，,而四季是地球绕太阳公转形成的。,问题与思考,“日心说”的观点绝对正确吗？,三.开普勒提出行星运动三定律,1.古人为什么认为天体运动是匀速圆周运动？,原因： 无论“地心说”也好，“日心说”也好，古,人认为天体的运动都是很神圣的，认为天体的运,动必然是最完美，最和谐的匀速圆周运动，天体的,运动和地面上的运动遵循的规律也应不同。,2.开普勒对天体做匀速圆周运动产生怀疑的原因,开普勒用天体做匀速圆周运动的观点所得的,结论和第谷所观测的数据存在至少8,的角度误差，,但当时公认观测数据的误差不超过2，也就是说，,这6的误差产生的原因可能是对天体运动的认识,观点存在问题，因此产生了对天体运动是匀速圆周,运动这一观点的怀疑。,开普勒（德国）,四年多的刻苦计算,第 谷（丹麦,）,二十年的精心观测,8分的误差,否定19 种假设,行星轨道为椭圆,若是匀速圆,周运动,怎么回事,呢,潜心研究,哥白尼的宇宙体系,动摇了基督教宇宙体系,的根基，但它并没有在,天文测算的精确度上有,多大的提高。近代早期,最重要的观测工作是由,丹麦的第谷（1546-,1601）进行的。,第谷,开普勒研究了第谷连续20,年的观测数据，希望进一步解,释哥白尼的行星圆形轨道模型。,但他失败了。因为他得到的结,果与第谷的观测数据至少有8,的误差，开普勒相信这不是第谷,的粗心，而是哥白尼的理论还,需要进一步完善。从此他开始,研究行星的非匀速圆周运动。,经过多年的埋头计算，数十次,地否定自己的设想，开普勒最,终发现了更精确的行星运动规,律，并先后提出了行星运动的,三大定律。,开普勒(1571-,1630)是德国近,代著名的天文学,家、数学家、物,理学家和哲学家,开普勒三定律,.第一定律（轨道定律）：,所有行星围绕太阳运动的,轨道都是椭圆，太阳处于所有椭圆的一个公共焦点上。,.第二定律（面积定律）：,对于每一颗行星而言，,太阳和行星的连线在相等的时间内扫过的面积相等。,离太阳近时速度快，离太阳远时速度慢。,.第三定律（周期定律）：,所有行星轨道的半,长轴的立方与公转周期的平方的比值都相等。,比值k是与行星,无关而只与太,阳有关的常量。,需要注意：,1.开普勒定律不仅适用于行星，也适用于卫星，,只不过此时比值,k,是由行星质量所决定的另一,恒量。,2.行星的轨道都跟圆近似，因此计算时可以认为,行星做匀速圆周运动。,3.开普勒定律是总结行星运动的观察结果而归纳,出来的规律，它们每一条都是经验定律，都是从,观察行星运动所取得的资料中总结出来的。,例1.关于行星的运动，以下说法正确的是（ ）,A.行星轨道的半长轴越长，自转周期就越大,B.行星轨道的半长轴越长，公转周期就越大,C.水星的半长轴最短，公转周期最大,D.海王星离太阳“最远”，绕太阳运动的公转,周期最长,BD,一.“地心说”与“日心说”的发展过程。,二.行星运动定律,1.第一定律（轨道定律）,2.第二定律（面积定律）,3.第三定律（周期定律）,（,k,是一个只与中心天体质量有关的物理量）,1.关于“日心说”被人们接受的原因是( ),A.太阳总是从东面升起,B.地球是绕太阳运转的,C.以地球为中心来研究天体的运动有很多无法,解决的问题,D.以太阳为中心，许多问题都可以解决，行星,运动的描述也变得简单了,D,2.关于地球和太阳，下列说法中正确的是( ),A.地球是围绕太阳运转的,B.太阳总是从东面升起，从西面落下，所以太阳,围绕地球运转,C.由于地心说符合人们的日常经验，所以地心说,是正确的,D.地球是绕太阳做匀速圆周运动的,A,3.关于公式 下列说法中不正确的是( ),A.此公式是哥白尼通过天文观测结果归纳总结出,来的,B.此公式是开普勒通过研究第谷的观测资料归纳,总结出来的,C.此公式可以推广到绕地球运转的所有卫星，但,k,值不同于绕太阳运转的行星,D.一般计算中，如果可以把行星的椭圆轨道近似,看成圆，则a就是这个圆的半径,A,4.关于公式 中的常量,k,，下列说法中正确的是,( ),A.此公式只适用于绕太阳运转的所有行星,B.公式可推广到宇宙中不同星体围绕同一星球运,转的情形下,C.对绕太阳运转的行星而言，,k,值既与各行星有关,还跟太阳有关,D.对绕地球运转的所有卫星而言，,k,值与卫星无关,BD,5.如图所示是行星m绕恒星M运动的示意图，下列,说法正确的是（ ）,A.速度最大点是B点,B.速度最小点是C点,C.m从A到B做减速运动,D.m从B到A做减速运动,C,不如意的时候不要尽往悲伤里钻，想想有笑声的日子吧！,