哥白尼与天体运行论第谷与开普勒运动学的奠基课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1.哥白尼与“天体运行论”、第谷与开普勒,2.运动学的奠基人伽利略,3.牛顿的伟大综合和理论飞跃,4.牛顿后力学的发展（略）,第三章 经典力学的建立,1.哥白尼与“天体运行论”、第谷与开普勒第三章 经典力学,1,1.哥白尼与“天体运行论”、第谷与开普勒,一.,哥白尼与“天体运行论”,二.,第谷与开普勒,1.哥白尼与“天体运行论”、第谷与开普勒,2,新 芽 破 土：二.哥 白 尼 与 “天 体 运 行 论”,哥白尼像,一.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，18岁入克拉科夫大学学习数学和天文学；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,（阿里斯塔克）,的启发，为他创立新的宇宙体系奠定了思想基础。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。,新 芽 破 土：二.哥 白 尼 与 “天,3,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。,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。,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,4,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。,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。,由于担心教会谴责，他迟迟没有公开发表自己的见解。15,5,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。,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”,天体运行论出版后很少引起人们的注意。一般人不能了解，而许,6,二.第谷与开普勒,1.第谷,(Tycho Brahe,1546-1601),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0.033，1=60)。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。,二.第谷与开普勒,7,第谷使用的天文仪器,新 芽 破 土：三.第 谷 与 开 普 勒,第谷的墙壁象限仪,第谷使用的天文仪器新 芽 破 土：三.第 谷,8,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。,）,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“天上的立法者”。,2.德国天文学家开普勒(1571-1600)：,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,9,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，被聘为皇室的数学家。,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，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。,开普勒出生在一个贫民家庭，四岁时患上了天花和猩红热，,10,对火星轨道的研究是开普勒重新研究天体运动的起点。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。可是，依照这个方法来预测火星的位置，跟第谷的观测数据仍然不符，产生8的误差。,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“匀速圆周运动”的假设存在错误。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；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。,对火星轨道的研究是开普勒重新研究天体运动的起,11,一.伽利略的运动理论,二.意义,2.运动学的奠基人伽利略,一.伽利略的运动理论2.运动学的奠基人伽利略,12,1.,伽利略,(1564-1642)简介：,伽利略发现月亮表面和地球一样是粗糙不平的；他将望远镜指向天空的任一方向，都可以看到无数的星体；他发现银河也是由无数颗暗淡的星星组成的；木星有四颗卫星等。这些发现既否定了古代天体只有7个或10个断言，又表明地球并不是所有天体绕之运转的中心。有力的支持了日心说。星界信使使伽利略获得极大荣誉，1610年7月，被邀到佛罗伦萨任宫廷数学家和哲学家。,出生于意大利比萨。奠定了经典力学中运动学的基础。,1609年5月，用一块凸透镜和一块平凹面镜制成一放大9倍的望远镜，（因此获终身教授），后经改进，制成一放大约千倍的望远镜。在1610年的最初的几个星期内，伽利略便获得几项重大发现，并于当年出版在星界信使中。,1.伽利略(1564-1642)简介：伽利略发现月亮,13,一.伽利略的运动理论,1.运动的描述和分类,提出将运动分为匀速运动和变速运动。,2.自由落体定律,首先从思想实验得出的一个佯谬入手，对亚里士多德的落体学说反驳：重物和轻物绑在一起下落时的速度？,通过数学推到出自由落体为匀加速运动：利用三角形面积和一对应的矩形面积相等确定 s/t,2,=常量,设计了,“冲淡重力”,实验，即著名的“斜面实验”,为了把斜面实验推广到竖直情况的自由落体运动，提出了,“等末速度假设”,，并用一个单摆实验验证了假设。由等末速度假设得到了沿斜面下滑的加速度g,1,和重力加速度g之间的关系。,一.伽利略的运动理论,14,假设的实验验证：,摆的升高实验。,假设的实验验证：摆的升高实验。,15,3.惯性原理,“等末速度假设”和单摆摆球的等高性实验，把伽利略引向另一个理想实验，如右图所示。,“任何速度一旦施加给一个运动着的物体，只要除去加速或减速的原因，此速度就可保持不变；不过，这是只能在水平面上发生的一种情形。”这一思想实验，有力地证明了外力不是物体运动的原因，而是运动速度变化的原因。,在谈话中，他也表达过这一思想“当一个物体在水平面上运动，没有碰到任何阻碍时它的运动将是匀速的，并将无限继续进行下去，假如平面是在空间无限延伸的话。”,3.惯性原理 在谈话中，他也表达过这一思想“当一个物,16,4.抛体运动轨迹-,运动的独立进行原理,在两门新科学的第四天谈话中，详细研究了抛体运动，指出：假设物体以水平初速度抛出，这时物体将同时参与一个匀速的水平运动和一个匀加速的下落运动这两个运动既不彼此影响、干扰，也不互相妨碍”。这就是运动的独立进行原理。,伽利略把各种仰角下物体的射程一一计算出来作成表格，从而得出仰角为,=45,0,时射程最大，以及两个仰角等于,=45,0,下射程相等得结论。,4.抛体运动轨迹-运动的独立进行原理,17,5.相对性原理,在批驳“倘若地球运动，就会把地球上面的物体抛到后面去”的谬论时，伽利略指出，从行驶的航船的桅杆上落下的石子，仍会落在桅杆脚下；只要船的运动是均匀的，也不忽左忽右摆动，人们所观察到的现象同船静止时完全一样，人们跳向船尾不会比跳向船头更远；从挂着的水瓶中滴下的水滴仍会滴进下方的罐子里；蝴蝶和苍蝇四处飞行，决不会向船尾集中，或者是为了赶上船的运动而显出疲劳的样子。,这些现象表明，在船里所做的任何观察和实验，都不能够判断船究竟是在运动还是停止不动。,”,这一原理的发现，是人类科学史上的一个重大飞跃，,对物理学基础理论的发展产生了深刻的影响。,5.相对性原理,18,6.伽利略的研究方法,对现象的一般观察,提出工作假设,运用数学和逻辑的手段得出特殊结论,通过物理的或思想的实验对推论进行检验,对假设进行修正和推广。,伽利略把实验和数学逻辑结合起来的方法，有力推进了人类科学认识活动的进展。,值得指出的是，在伽利略的著作里所描述的实验都是理想化的。,比如在实际的下落实验中，重球和轻球并不是同时落地，伽利略认为这是空气阻力造成的；又如在单摆实验中，摆球并不能完全回到原来的高度等等，,能够认识到具体实验中出现的偏差或误差并摆脱其影响，而以理想实验并通过数学逻辑的推倒得出结论