第一節(jié)行星的運動講課用

這一章我們將學習對人類智慧影響至為深遠、在天體運動中起著決定性作用的萬有引力定律，并了解它的發(fā)現歷程和在人類開拓太空中的作用。在浩瀚的宇宙中有無數大小不一、形態(tài)各異的天體，如月亮、地球、太陽、夜空中的星星……由這些天體組成的廣袤無限的宇宙始終是我們渴望了解、不斷探索的領域。戰(zhàn)國時期楚國偉大詩人屈原，對那個天感到神秘，然而無序，作者心中愁苦然而無解，寫下偉大的被譽為是“千古萬古至奇之作”的《天問》浩瀚宇宙遂古之初，誰傳道之？上下未形，何由考之？冥昭瞢闇，誰能極之？馮翼惟像，何以識之？明明闇闇，惟時何為？陰陽三合，何本何化？圜則九重，孰營度之？惟茲何功，孰初作之？斡維焉系，天極焉加？八柱何當，東南何虧？九天之際，安放安屬？隅隈多有，誰知其數？天何所沓？十二焉分？日月安屬？列星安陳？出自湯谷，次于蒙氾。自明及晦，所行幾里？夜光何德，死則又育？厥利維何，而顧兔在腹？仰望星空，溫家寶總理深情的寫下：我仰望星空，它是那樣寥廓而深邃；那無窮的真理，讓我苦苦地求索、追隨。我仰望星空，它是那樣莊嚴而圣潔；那凜然的正義，讓我充滿熱愛、感到敬畏。我仰望星空，它是那樣自由而寧靜；那博大的胸懷，讓我的心靈棲息、依偎。我仰望星空，它是那樣壯麗而光輝；那永恒的熾熱，讓我心中燃起希望的烈焰、響起春雷。人們對行星運動的認識過程是漫長復雜的，歷史上有過不同的看法，科學家對此進行了不懈的探索，通過本節(jié)內容的學習，將使我們對行星的運動有一個正確地認識。行星的運動

6.1.行星的運動問題1：

古代人們對于天體運動存在哪些理論觀點?其內容是什么？

每個理論觀點的代表人物是誰？

古代人們對于天體運動存在兩種不同的觀點：“地心說”和“日心說”．（1）地心說的內容是：地球是宇宙的中心，并且靜止不動，一切行星圍繞地球做簡單的完美的圓周運動。地心說最早是歐多克斯在公元前三世紀提出的，他從幾何的角度解釋天體的運動，把天上復雜的周期現象，分解為若干個簡單的周期運動；他又給每一種簡單的周期運動指定一個圓周軌道，或者是一個球形的殼層，他認為天體都在以地球為中心的圓周上做勻速圓周運動，并且用二十七個球層來解釋天體的運動，到了亞里士多德時，又將球層增加到五十六個。地心說的代表人物是古希臘的天文學家托勒密，他在公元127-151年進行觀測，進一步發(fā)展了地心說。托勒密設想，各行星都繞著一個較小的圓周運動，而每個圓的圓心在以地球為中心的圓周上運動。他的假設較為完滿的解釋了當時觀測到的行星運動情況，同時也符合宗教神學關于宇宙中心的說法，從而得到教會的支持，并取得了航海上的實用價值，從而被人們廣為信奉，統(tǒng)治和禁固人們的思想達一千多年之久。

托勒密地心說

地球是世界的中心,并且靜止不動,一切行星圍繞地球做圓周運動一、行星的運動

托勒密地心說

地球是世界的中心,并且靜止不動,一切行星圍繞地球做圓周運動一、行星的運動（2）日心說的內容：太陽是宇宙中心并且靜止不動，一切行星都圍繞太陽做圓周運動。日心說最早由阿利斯塔克（公元前四世紀到三世紀）在公元前260年提出，他認為地球每天在自己的軸上自轉，每年沿圓周軌道繞日一周，太陽是不動的，是宇宙中心，而地球等行星則以太陽為中心沿圓周運動。但阿利斯塔克的見解當時沒有人表示理解或接受，因為這與人們肉眼看到的表觀景象不同。人們通過對天體運動的研究,發(fā)現地心說所描述的天體運動十分復雜,而且問題很多.而如果將地球從天體的中心位置移到一個普通的饒?zhí)栠\動的行星的位置上,許多問題便可以解決.1535年，波蘭科學家哥白尼用“四個九年的時間”完成了長達六卷的科學巨著《天體運行論》，對日心說有更具體的論述和數學論證。此書的出版是科學史上的一次革命，被譽為是“自然科學的獨立宣言”.日心說體系學說的基本論點有：①宇宙的中心是太陽，所有的行星都在繞太陽做勻速圓周運動②地球是繞太陽旋轉的普通行星，月球是繞地球旋轉的衛(wèi)星，它繞地球做勻速圓周運動，同時還跟地球一起繞太陽運動。③天穹不轉動，因為地球每天自西向東自轉一周，造成天體每天東升西落的現象。④與日地距離相比，其他恒星離地球都十分遙遠，比日地間距離大得多。

日心說

太陽是世界的中心,并且靜止不動,一切行星都圍繞太陽做圓周運。哥白尼

日心說

太陽是世界的中心,并且靜止不動,一切行星都圍繞太陽做圓周運動。哥白尼一、行星的運動問題2：兩種學說的爭論的結果是什么？我們看到，從公元前三世紀地心說的提出到16世紀哥白尼對日心說做出數學論證，地心說統(tǒng)治了人們的思想長達一千五百多年。托勒密的天體模型之所以能夠流行千年，是有它的優(yōu)點和歷史原因的。它的主要特點是：A．繞著某一中心的勻角速運動，符合當時占主導思想的柏拉圖的假設，也適合于亞里士多德的物理學，易于被接受。B．用幾種圓周軌道不同的組合預言了行星的運動位置，與實際相差很小，相比以前的體系有所改進，還能解釋行星的亮度變化。C．地球不動的說法，對當時人們的生活是令人安慰的假設，也符合基督教信仰。在當時的歷史條件下，托勒密提出的行星體系學說，是具有進步意義的。首先，它肯定了大地是一個懸空著的沒有支柱的球體。其次，從恒星天體上區(qū)分出行星和日月是離我們較近的一群天體，這是把太陽系從眾星中識別出來的關鍵性一步。由于觀測技術的進步，隨著對行星的研究的加深，人們感到地心說對天體運動的解釋過于復雜和人為化，而日心說對行星的運動的解釋更為合理簡單。但日心說危及教會的思想統(tǒng)治。到哥白尼的年代，當時的歐洲正處在黑暗的中世紀的末期，亞里士多德－托勒密的地球中心說早已被基督教會改造成為基督教義的支柱。羅馬教廷后來對公開支持日心說的科學家加以迫害，布魯諾就被活活的燒死，公元1616年羅馬教廷把《天體運行論》列為禁書。然而經過開普勒、伽利略、牛頓等人的工作，哥白尼的學說不斷獲得勝利和發(fā)展。哥白尼的宇宙體系動搖了基督教宇宙體系的根基，但它并沒有在天文測算的精確度上有多大的提高。近代早期最重要的觀測工作是由丹麥的第谷（1546-1601）進行的。第谷連續(xù)20年對750顆左右恒星進行觀察并有準確記錄。第谷(1546～1601)丹麥天文學家。

十七世紀，德國人開普勒在“日心說”的基礎上，整理了他的老師，丹麥人第谷20多年觀測行星運動的數據后，經過四年艱苦計算，總結了關于行星運動的三條規(guī)律.問題3：開普勒在研究第谷的數據時發(fā)現了什么？他是如何處理的呢？如果同學們在做實驗的時候，碰到這樣的情況你會怎么處理呢？雖然哥白尼、伽利略等人否定了地心說，但仍然認為其他行星圍繞太陽做簡單的完美的圓周運動。1601年，第谷臨終前將自己觀測并準確記錄的資料、數據、圖表全部交給了開普勒，希望他能完成天文觀測和研究事業(yè)。開普勒用很長的時間對第谷遺留下來的觀測資料進行分析。由于火星的數據最多，他將火星選為行星繞日運動的突破口。起先他仍按傳統(tǒng)觀念，認為行星作勻速圓周運動。但是經過反復推算發(fā)現，對火星來說，無論按哥白尼的方法，還是按托勒密或第谷的方法，都不能算出同第谷的觀測相合的結果。理論計算跟測量所得的誤差最大只有8′。開普勒沒有放過這8′的誤差，他堅信觀測的結果。于是他想到，火星可能不是作勻速圓周運動的。他改用各種不同的幾何曲線來表示火星的運動軌跡，終于發(fā)現了開普勒第一定律：開普勒開普勒第一定律

所有的行星繞太陽運動的軌道都是橢圓，太陽處在橢圓的一個焦點上一、行星的運動問題4：開普勒第一定律的內容是什么？開普勒第一定律適用天其它星體嗎？1：開普勒第一定律：所有的行星分別在大小不同的橢圓軌道上圍繞太陽運動，太陽是在這些橢圓的一個焦點上。這個發(fā)現把哥白尼學說向前推進了一大步。用開普勒本人的話說：“就憑這8′差異，引起了天文學的全部革新！”

他當時算出，火星的偏心率為0.093，是當時所知的在太陽系內最大的，因此橢圓軌道最為明顯。他的這條定律否定了行星軌道為圓形的理論。

1.從空間分布認識:行星的軌道都是橢圓,所有橢圓有一個共同的焦點,太陽就在此焦點上.因此第一定律又叫橢圓軌道定律.意義:第一定律告訴我們,盡管各行星的軌道大小不同,但它們的共同規(guī)律是:所有行星都沿橢圓軌道繞太陽運動,太陽則位于所有橢圓的一個公共焦點上.否定了行星圓形軌道的說法，建立了正確的軌道理論，給出了太陽準確的位置.2：開普勒第一定律的推廣：所有的衛(wèi)星分別在大小不同的橢圓軌道上圍繞地球運動，地球是在這些橢圓的一個焦點上。問題5：如何畫一個橢圓？橢圓上某點到兩個焦點的距離之和與橢圓上另一點到兩個焦點的距離之和有什么關系?接著他又發(fā)現，雖然火星運行的速度是不均勻的(最快時是在近日點,最慢時在遠日點)，但是,從任何一點開始，在單位時間內，半徑掃過的面積都是不變的

開普勒開普勒第二定律

對任意一個行星來說，它與太陽的連線在相等的時間內掃過相等的面積問題6：開普勒第二定律的內容是什么？其運動規(guī)律適用于其它行星或衛(wèi)星嗎？1：開普勒第二定律：對任意一個行星來說，它與太陽的連線在相等時間內掃過相等的面積．第二定律也適用于其他行星和月球的運動。問題7：如圖所示，行星沿著橢圓軌道運行，太陽位于橢圓的一個焦點上，行星在遠日點的速率與在近日點的速率誰大？速率的數值上存在什么關系？因為相等時間內面積相等，所以近日點速率大。問題8：開普勒是如何發(fā)現第三定律的呢？1612年左右，開普勒最心愛的小女兒夭折，他的夫人去世，他的靠山和恩人魯道夫二世被迫退位不久也辭世。家破人亡，靠山倒臺，開普勒的境遇十分艱難，但他并未因此而放棄研究。他繼續(xù)對著第谷留下的那一堆數字去動腦子，去探索各行星軌道之間的幾何關系。行星是在作著橢圓運動，但是它們繞太陽一周到底要多少時間，為什么有的快，有的慢呢？這茫茫宇宙是無法丈量的。開普勒想出了一個妙法，他將人們最熟悉的地球到太陽間的距離R定為1，地球繞太陽的公轉周期T是1年，以此為標準再換算其他行星的周期和距離，便得到這么一堆數字：行星TR行星TR水星0.2410.387火星1.8811.524金星0.6150.723木星11.8625.203地球1.0001.000土星29.4579.539他們之間到底有什么聯(lián)系？開普勒看來看去，這些數字四散在桌子上，它們之間就像桌上的蠟燭與天花板上的塵土一般，看不出一點的聯(lián)系。但是開普勒堅信宇宙是一個和諧的整體。他認為世間一切物體都有一定的和諧的數量關系。于是他將這一堆數字互加、互減、互乘、互除、自乘、自除，翻來倒去，想碰碰能否發(fā)現它們之間的規(guī)律。這樣變了一陣魔方，但終究還是亂麻一團。經過長期繁復的計算和無數次失敗，終于有一天，開普勒得到了這樣幾行數字：行星TRT2R3水星0.2410.3870.0580.058金星0.6150.7230.3780.378地球1.0001.0001.0001.000火星1.8813.543.543.54木星11.862140.7140.7140.7土星29.457867.7867.7867.7行星TRT2R3水星0.2410.3870.0580.058金星0.6150.7230.3780.378地球1.0001.0001.0001.000火星1.8813.543.543.54木星11.862140.7140.7140.7土星29.457867.7867.7867.7行星TRT2R3水星0.2410.3870.0580.058金星0.6150.7230.3780.378地球1.0001.0001.0001.000火星1.8813.543.543.54木星11.862140.7140.7140.7土星29.457867.7867.7867.7行星TRT2R3水星0.2410.3870.0580.058金星0.6150.7230.3780.378地球1.0001.0001.0001.000火星1.8813.543.543.54木星11.862140.7140.7140.7土星29.457867.7867.7867.7行星TRT2R3水星0.2410.3870.0580.058金星0.6150.7230.3780.378地球1.0001.0001.0001.000火星1.8813.543.543.54木星11.862140.7140.7140.7土星29.457867.7867.7867.7行星TRT2R3水星0.2410.3870.0580.058金星0.6150.7230.3780.378地球1.0001.0001.0001.000火星1.8813.543.543.54木星11.862140.7140.7140.7土星29.457867.7867.7867.7我們可以看出最后兩列數字一模一樣！開普勒做了那么多加減乘除之后，終于碰著了天體上的一個電鈕，漆黑的宇宙在他的眼前忽然大放異彩！開普勒終于發(fā)現了關于行星運動的第三條定律：問題9：開普勒第三定律的內容是什么？1：內容：所有行星的橢圓軌道的半長軸的三次方與公轉周期的二次方的比值都相等。這一結果發(fā)表在1619年出版的《宇宙和諧論》中。這是一個天文史上極偉大的發(fā)現，它說明太陽與其他行星決不是一室烏合之眾，而是一個極嚴密的系統(tǒng)——太陽系。開普勒利用簡明的數學關系式把它表示出來。開普勒開普勒第三定律所有行星的軌道的半長軸的三次方跟它的公轉周期的二次方的比值都相等即：R他是第一個以數學公式來表達物理定律并獲得成功的科學家3：適用范圍：開普勒定律不僅適用于太陽系中的天體運動，而且對一切天體（包括衛(wèi)星繞行星的運動）都適用，其比例系數k是一個由中心天體決定而與行星無關的常量，但不是恒量，不同的星系中，k值不同。K是一個只決定于被繞天體（中心天體）質量的物理量問題10：開普勒三定律有什么意義？A．開普勒定律以極簡明的結論代替了龐大復雜的系統(tǒng)，使得計算行星的軌道半徑和它們的位置工作大大簡化。B．行星運動三定律的發(fā)現為經典天文學奠定了基石，并導致了數十年后萬有引力定律的發(fā)現。其中第一定律反映了行星運動的軌跡是橢圓，第二定律描述了行星在近日點的速率最小，在遠日點的速率最大，第三定律揭示了軌道半長軸與公轉周期的定量關系．在近似計算中可以認為行星都以太陽為圓心做勻速圓周運動。為了便于記憶開這三條重要的定律，有一首打油詩：第一定律畫橢圓第二定律限面積周期半徑歸第三天上從此再不亂C.開普勒因此被稱為“天空的立法者D.行星的軌道與圓十分接近，在中學階段的研究中我們按圓軌道處理，所以，中學階段的開普勒三定律內容可以寫成：1.行星繞太陽運動的軌道十分接近圓，太陽處在圓心1.所有的行星繞太陽運動的軌道都是橢圓，太陽處在橢圓的一個焦點上2.對任意一個行星來說，它與太陽的連線在相等的時間內掃過相等的面積3.所有行星的軌道的半長軸的三次方跟公轉周期的二次方的比值都相等2.對于某一行星來說，它繞太陽做圓周運動的角速度（或線速度）不變，即行星