清华大学物理学课件--从哥白尼到开普勒

从 哥 白 尼 到 开 普 勒近 代 科 学 的 诞 生 从 天 文 学 的 突 破 开 始 德 国 哲 学 家 康 德 说 ： 有 两 样 东 西 ， 我 们 越 是 持久 和 深 沉 地 思 考 着 ， 就 越 有 新 奇 和 强 烈 的 赞 叹 与敬 畏 充 溢 我 们 的 心 灵 ， 这 就 是 我 们 头 顶 的 星 空 和我 们 内 心 的 道 德 律 。 对 天 空 的 向 往 北 宋 词 人 辛 弃 疾 :可 怜 今 夕 月 ,向 何 处 ,去 悠 悠 ?是别 有 人 间 ,那 边 才 见 ,光 影 东 头 ?是 天 外 ,空 汗 漫 ,但 长风 浩 浩 送 中 秋 ?飞 镜 无 根 谁 系 ？ 嫦 娥 不 嫁 谁 留 ? 1.古 埃 及 的 宇 宙 结 构 恒 星 是 镶 嵌 在 俯 趴 于 地球 上 方 的 女 神 身 上 ， 天 空 是天 神 Nut， 大 地 是 地 神 G eb, 天 神 和 地 神 白 天 是 分 开 的 ，一 直 到 晚 上 才 重 聚 。一 、 古 代 天 西 方 文 学 发 展 历 程 基 督 徒 的 创 世 记 起 初 上 帝 创 造 天 地 ， 在六 个 晨 昏 ， 分 别 造 光 分 昼夜 、 造 空 气 分 天 地 、 植 物 、日 月 星 辰 、 鱼 和 鸟 、 畜 类 ，并 照 着 自 己 的 形 像 和 样 式造 人 ； 天 地 万 物 都 造 齐 后 ，上 帝 赐 福 安 息 的 第 七 日 为“ 圣 日 ” 。 3.亚 里 士 多 德 “ 水 晶 球 ” 模 型 亚 里 士 多 德 “ 地 心 说 ” ： 地 球 是 宇 宙 中 心 , 绝 对 静 止 不 动 的 ; 由 55个 水 晶 球 组 成 ； 天 体 的 运 动 由 神 力 驱 使 ; “水 晶 球 ” 模 型 Ptolemy(约 85-约 165) 公 元 140年 托 勒 密 在 总 结前 人 工 作 的 基 础 上 系 统 地 确 立了 地 心 说 。 认 为 ： 大 地 为 球 形 ， 且 居 于 宇 宙中 心 ， 静 止 不 动 ， 其 他 天 体 都绕 着 地 球 转 动 。4.托 勒 密 “ 地 心 说 ” 体 系 托 勒 密 是 公 元 2世 纪 古 希 腊 天 文 学 家 、 地 理学 家 、 数 学 家 ， 著 有 天 文 学 大 成 、 地 理学 。 宇 宙 有 “ 九 重 天 ” ， 有 九个 运 转 着 的 同 心 的 晶 莹 球 壳 。 第 一 到 第 三 重 天 月 亮 天 、水 星 天 和 金 星 天 ； 太 阳 居 于 第 四 重 天 球 上 ，它 是 宇 宙 的 主 宰 ， 以 巨 大 的光 辉 照 亮 宇 宙 ； 第 五 到 第 七 重 天 火 星 天 、木 星 天 和 土 星 天 ； 恒 星 天 ： 全 部 恒 星 象 宝 石 一 般 镶 嵌 在 这 层 天 上 ； 最 高 天 ： 即 “ 原 动 天 ” ， 那 里 是 神 灵 居 住 的 天 堂 。 托 勒 密 把 每 个 行 星 的 运 动 描 述 成 沿 一 个 本 轮小 圆 回 转 ， 本 轮 中 心 又 绕 一 个 以 地 球 为 中 心 的 均轮 运 行 。 托 勒 密 天 体 机 械 模 型 这 样 “ 地 心 说 ” 从 表 观 上 解 释 了 日 月 星辰 每 天 东 升 西 落 、 周 而 复 始 的 现 象 ， 同 时 也 符合 上 帝 创 造 人 类 、 地 球 必 然 在 宇 宙 中 居 有 至 高无 上 地 位 的 宗 教 教 义 ， 对 人 们 的 思 想 和 科 学 发展 的 禁 锢 达 千 年 之 久 。于 是 一 场 科 学 革 命 必 须 也 只 能 从 这 矛 盾 最 尖 锐 的 地 方 发 生 。 二 、 向 地 心 说 挑 战 哥 白 尼 创 立 日 心 说Copernicus （ 1473-1543）1.哥 白 尼 生 平 简 介 哥 白 尼 是 波 兰 人 的 后 裔 ， 出 生 在 靠 近 波 兰 国 界的 普 鲁 士 的 托 恩 （ Thorn） 。 早 年 在 波 兰 克 拉 科 夫 大 学 学习 天 文 学 ， 后 到 意 大 利 学 习 基 督教 义 、 医 学 与 法 学 。 年回 波 兰 后 ， 从 事 三 重 职 业 达 十 三年 之 久 ： 履 行 教 会 职 务 、 行 医 和研 究 天 文 学 。 2.哥 白 尼 的 基 本 观 点 （ 1） 太 阳 是 宇 宙 的 中 心 ,行星 围 绕 着 太 阳 运 转 ； （ 2） 地 球 作 为 一 颗 行 星 绕 着太 阳 运 转 ,它 本 身 还 在 自 转 ； （ 3） 月 亮 是 地 球 的 卫 星 ,地球 带 着 月 亮 一 起 绕 太 阳 运 转 ； （ 4） 恒 星 在 远 离 太 阳 的 一 个天 球 面 上 静 止 不 动 。 3.日 心 说 提 出 的 科 学 、 历 史 和 哲 学 根 源科 学 根 源 ： 托 勒 密 模 型 的 预 告 有 时 很 不 准 确 ， 并 且 随 着 天文 学 观 察 数 据 越 来 越 多 ， 为 了 给 予 解 释 ， 托 勒 密 的地 心 说 不 断 修 补 ， 越 来 越 复 杂 ， 难 以 使 人 信 服 。历 史 根 源 ： 哥 白 尼 在 意 大 利 留 学 十 年 中 ， 开 阔 了 眼 界 ， 阅读 了 大 量 天 文 学 书 籍 ， 受 到 文 艺 复 兴 运 动 影 响 ， 思想 解 放 ， 投 身 科 学 革 命 。 赞 成 毕 达 哥 拉 斯 学 派 “ 宇 宙 是 和 谐 的 ， 可 以由 简 单 的 数 学 关 系 来 表 达 宇 宙 规 律 ” 。 “ 太 阳 在 宇 宙 正 中 坐 在 其 宝 座 上 ,在 这 壮 丽的 神 殿 里 ， 有 谁 能 将 这 发 光 体 放 在 一 个 更 好 地 的位 置 上 以 让 它 同 时 普 照 全 宇 宙 ？ ” 柏 拉 图 高 度 赞 美 太 阳 ， 给 予 太 阳 “ 宇 宙 正 中 ”的 位 置 。哲 学 根 源 ： 4. 对 火 星 逆 行 的 解 释是 哥 白 尼 理 论 的 一 个 胜 利 托 勒 密 的 行 星 轨 迹 5. 布 鲁 诺 的 殉 难 是 哥 白 尼 日 心 说 经 受 的 第 一 次 考 验Bruno （ 1548-1600） 论 无 限 、 宇 宙 及 世 界 宣 扬 ： 1.宇 宙 没 有 中 心 ， 且 在 空间 上 是 无 限 的 ； 2.宇 宙 在 时 间 上 是 永 恒 的 ，其 中 存 在 “ 世 界 ” 的 产 生 和 消 亡 ; 3.宇 宙 万 物 处 在 变 化 之 中 ，但 都 由 “ 物 质 ” 组 成 .在 真 理 面 前 我 半 步 也 不 会 退 让 三 、 开 普 勒 行 星 三 定 律1.第 谷 布 拉 赫 的 贡 献 丹 麦 天 文 学 家 第 谷 ， 靠 自 己 设计 的 天 文 仪 器 ， 把 天 文 观 测 的 精 度提 高 到 了 1， 相 当 于 满 月 直 径 视 角的 1/30。 积 累 了 大 量 太 阳 、 月 亮 和其 他 行 星 运 动 的 精 确 数 据 ， 提 出 ： “ 日 心 说 和 地 心 说 都 有 缺 陷 ” TychoBrahe( 1546-1601 ) 第 谷 在 天 文 台 工 作 第 谷 用 过 的 望 远 镜 2.开 普 勒 开 普 勒 从 第 谷处 获 得 了 大 量 精 确的 天 文 学 数 据 . 16091619年 ，他 先 后 提 出 了 行 星运 动 三 定 律 。 K epler （ 1571-1630 ） 3.开 普 勒 行 星 三 定 律（ 1） 椭 圆 定 律 ： 每 个 行 星 的 轨 道 是 一 个 椭 圆 ， 太 阳 位 于 一 个焦 点 上 ; 开 普 勒 第 一 定 律 开 普 勒 第 二 定 律（ 2） 等 面 积 定 律 ： 在 行 星 与 太 阳 间 作 一 条 直 线 ， 则 此 直 线 在 行 星运 动 的 过 程 中 ， 在 相 同 的 时 间 内 扫 过 的 面 积 相 等 ; 32 kRT （ 3） 和 谐 定 律 ： 行 星 运 动 周 期 T 的 平 方 正 比 于 行 星 与 太 阳平 均 距 离 R 的 三 次 方 ， 记 为 ： 通 常 我 们 把 地 球 与 太 阳 的 平 均 距 离 -日 地距 离 -作 为 一 个 天 文 距 离 单 位 ， 记 为 AU 1AU= m周 期 以 年 为 单 位 ， 则 比 例 常 数 k的 值 为 11105.1 例 ： 已 知 火 星 离 太 阳 的 平 均 距 离 为 R=1.5AU,求 ： 火 星 绕 太 阳 运 行 的 周 期 解 : 由 开 普 勒 第 三 定 律 有 :32 kRT 8.1)5.11()( 2/132/13 kRT y故 火 星 绕 太 阳 运 行 的 周 期 为 1.8年 . 水 星 金 星 地 球 火 星 木 星 土 星 T 0.241 0.615 1 1.881 11.862 29.457 R 0387 0.723 1 1.524 5.203 9.539 T2 0.058 0.378 1 3.54 140.7 867.7R3 0.05796 0.3779 1 3.54 140.85 867.8532 kRT 开 普 勒 已 经 认 识 到 ： 他 的 定 律 强 烈 地 暗 示 了 太阳 对 行 星 有 一 种 吸 引 力 ， 这 个 力 随 距 离 之 增 大 而 减弱 。 这 样 才 能 理 解 例 如 为 什 么 水 星 （ 离 太 阳 最 近 ）的 运 动 速 度 比 金 星 的 快 ， 因 而 周 期 最 短 的 事 实 。 但这 是 什 么 样 的 力 呢 ？ 开 普 勒 还 想 不 出 来 ， 揭 示 这 一自 然 奥 秘 的 任 务 是 后 来 牛 顿 完 成 的 ， 但 开 普 勒 的 理论 为 牛 顿 经 典 力 学 的 建 立 提 供 了 重 要 基 础 。 从 开 普 勒 起 ， 天 文 学 真 正 成 为 一 门 精 确 科 学 ，成 为 近 代 科 学 的 开 路 先 锋 。 埃 拉 托 色 尼 测 量 地 球 圆 周 长 公 元 前 3世 纪 埃 及人 Eratosthenes在 “ 阿斯 旺 ” 小 镇 发 现 夏 至日 正 午 的 阳 光 悬 在 头顶 :物 体 没 有 影 子 ， 阳光 直 接 射 入 深 水 井 中 。 在 以 后 几 年 里 的 同 一天 、 同 一 时 间 ， 他 在 亚 历山 大 测 量 了 同 一 地 点 的 物体 的 影 子 。 他 发 现 太 阳 光线 有 轻 微 的 倾 斜 ， 在 垂 直方 向 偏 离 大 约 7.2度 角 。 “ 阿 斯 旺 ” 小 镇 和 亚 历 山大 的 距 离 是 当 时 5000个 希腊 运 动 场 的 周 长 ， 而 地 球的 圆 周 为 360度 ， 如 果 两 座城 市 成 7.2度 角 ， 就 是7.2/360的 圆 周 ， 就 因 此 地球 周 长 就 是(360/7.2) 5000=25万 个 希腊 运 动 场 的 周 长 。 链 接