4.3人類對太空的不懈探索課件高一下學期物理

第4章

萬有引力定律及航天4.3人類對太空的不懈探索星空如此迷人，周而復始，寧靜永恒。人類觀察星空，為了耕作，為了遠行，為了信仰，為了探索大自然的奧秘。1古希臘人的探索畢達哥拉斯(Pythagoras，約公元前580——約前500)從美學觀念出發(fā)，認為宇宙中所有天體的形狀都應該是球形。亞里士多德認為，地球在宇宙的中心靜止不動，其他星體繞地球轉動，這很好地解釋了天體升落的現(xiàn)象。阿波羅尼奧斯(Apollonius，約公元前262——前190)認為行水裝星沿某一圓周(本輪)運動，該圓周的圓心沿另一員周(均輪)繞地球運動。因此，以地球為中心看行星時，行星會時而順行，時而逆行，其亮度也會因與地球距離的改變而改變。公元140年前后，托勒密(C.Ptolemaeus，約公元90—168)對前人的觀測成果和理論進行總結，提出了地心體系(圖4－22)。托勒密的地心體系可以解釋已知天體的運動，在很長的歷史時期人們都利用這一模型預測天體的位置。中國古代天象觀測的成就中國是天文學發(fā)展最早的國家之一。自遠古始，人們就對天文現(xiàn)象進行觀察，積累了豐富的天文學知識，形成了系統(tǒng)、獨特的天文學體系。中國古代天文學在歷法體系天文觀測等許多領域長期處于世界領先地位?？茖W資料從甲骨文及古籍等記載看，我國在古代天象觀測方面作出了相當?shù)呢暙I。例如，殷代的甲骨文中記載的“七日己巳夕，有新大星并火”，是最早的關于新星的記錄；《漢書·五行志》中記載的“日出黃，有黑氣，大如錢，居日中央”，對太陽黑子的大小和位置等作了確切的描述；《春秋》記載的“秋七月，有星孛入于北斗”，已經把彗星視為天體。從春秋戰(zhàn)國到清末，哈雷彗星出現(xiàn)多次，我國皆有詳細記載。中國古代的星圖在世界上也非常著名，唐代繪制的敦煌星圖繪有1350顆星，是世界上現(xiàn)存最早且星數(shù)最多的星圖。我國古代對行星、恒星、流星雨等天象都有系統(tǒng)觀測。這些全面且獨特的天文觀測成果對世界天文學的發(fā)展起到了不可或缺的作用。文藝復興的撞擊16世紀中期，文藝復興的浪潮沖擊了自中世紀以來長期禁錮人們思想的枷鎖。1543年，波蘭天文學家哥白尼臨終時，向世人公開了他幾十年來研究的成果《天體運行論》，正式提出了“日心說”(圖4－23)。哥白尼認為：太陽是宇宙的中心水星、金星、地球、火星、木星及土星都繞太陽做勻速圓周運動，月球是地球的衛(wèi)星。哥白尼的“日心說”可以簡潔地描述行星運動，并能更清楚地解釋諸多天文現(xiàn)象。第谷·布拉赫(T.Brahe，1546－1601)是丹麥杰出的天文觀測家。當時尚未發(fā)明望遠鏡，他通過自制的觀測儀器(圖4－24)對星體進行認真系統(tǒng)的觀測，使當時的測量誤差從10′降低到2′。他的測量結果表明，托勒密與哥白尼的理論計算結果都與觀測數(shù)據(jù)不相符。開普勒研究了第谷連續(xù)20年的觀測數(shù)據(jù)，希望進一步解釋哥白尼的行星圓形軌道，卻以失敗而告終，因為他得到的結果與第谷的觀測數(shù)據(jù)至少有8′的誤差。開普勒相信這不是第谷的粗心造成的，而是哥白尼的理論還需要進一步完善。從此，他開始研究行星的非勻速、非圓周運動。經過多年的埋頭計算，開普勒最終發(fā)現(xiàn)了更為精確的行星運動規(guī)律，并先后提出了三大定律。雖然哥白尼的理論受到了第谷、開普勒的挑戰(zhàn)，但不可否認，他播下了科學革命的種子。亞里士多德認為地上和天上的物體是有區(qū)別的，而哥白尼則修正了地球靜止不動的直覺觀念，為牛頓統(tǒng)一天上與地上的物理學打下了基礎。牛頓的大綜合人們在研究天體怎樣運動的同時，還在探索天體為什么會這樣運動。亞里士多德認為，天體由“以太”元素組成，它們本來就應圍繞地球做勻速圓周運動。到了開普勒時代，人們才開始尋找天體形成這種運動的動力學原因。開普勒認為，太陽的磁力使天體運動，并且天體所受太陽的磁力隨距離的增加而減弱。笛卡兒認為，是“以太”運載著行星在巨大的旋渦中運行。胡克、哈雷等人則認為，天體受到遵循平方反比定律的向心力作用，才進行圓周運動。牛頓在前人研究的基礎上，運用開普勒行星運動定律和自己的研究成果，逐步建立了萬有引力定律，并將主要研究成果寫入他的著作《自然哲學的數(shù)學原理》(圖4－25)。他證明了物體圍繞中心運動時需要向心力：沿軌道運行的每個質點既是被吸引的物體，也是具有吸引力的中心，繼而推廣到宇宙中的物體都在彼此吸引牛頓將地球對物體的引力擴展到月球，認為地球引力與太陽對行星的作用力、行星對衛(wèi)星的作用力是性質相同的力。在此基礎上，牛頓最終給出了具有科學革命價值的萬有引力定律。牛頓的萬有引力定律是物理學的第一次大綜合，它將地上的力學與天上的力學統(tǒng)一起來，形成了以牛頓三大運動定律為基礎的力學體系。人類“飛天”夢的實現(xiàn)在牛頓力學的基礎上，人類對太空的探索取得了豐碩的成果，實現(xiàn)了自古便有的“飛天”夢。1957年10月4日，蘇聯(lián)的人造地球衛(wèi)星上天，震驚了世界。我國在1970年發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅一號”(圖4－26)，成為世界上第五個發(fā)射人造地球衛(wèi)星的國家。1961年4月12日，世界上第一艘載人宇宙飛船發(fā)射升空，蘇聯(lián)宇航員加加林(圖4－27)成功完成了人類第一次環(huán)繞地球的飛行。1969年7月20日，美國的“阿波羅十一號”宇宙飛船將人類送上了月球。當時，上億人通過電視注視著走出登月艙的阿姆斯特朗。他在月球上邁出的一小步卻是人類邁出的一大步，實現(xiàn)了人類的“飛天”夢。1971年4月19日，蘇聯(lián)“禮炮一號”空間站成為人類進入太空的第一個空間站。1971年12月2日，蘇聯(lián)“火星三號”探測器在火星表面著陸。1981年4月12日，美國的第一架航天飛機“哥倫比亞號”成功發(fā)射。目前，科學家正在研究一種新型的航天器——空天飛機。2003年10月15日，“神舟五號”載人飛船成功發(fā)射中國成為世界上第三個獨立掌握載人航天技術的國家。雖然人類已登上月球，但還沒有在除地球外的任何行星上留下腳印。若實現(xiàn)登陸火星，又將是人類宇宙探索史上的大里程碑?！ぁぁぁぁぁぴ谌祟愄剿魈盏倪^程中，有不少先驅者獻出了寶貴的生命。然而，他們的精神卻激勵著人們對太空堅持不懈地探索!嫦娥工程科學資料2004年，我國正式開展月球探測工程，并命名為“嫦娥工程”。探月衛(wèi)星“嫦娥一號”“嫦娥二號”已完成“繞”的任務。衛(wèi)星繞月運行，獲得了月球表面影像、有關物質元素分布等數(shù)據(jù)?！版隙鹑枴睌y“玉兔號”月球車成功實現(xiàn)月球軟著陸，并開展月面巡視勘察以及月表形貌與地質構造調查等科學探測，實現(xiàn)了“落”的任務。2019年1月“嫦娥四號”探測器成功著陸月球背面南極—艾特肯盆地(圖4－28)，完成了“人類探測器首次實現(xiàn)月球背面軟著陸”的壯舉。隨后，2020年12月，“嫦娥五號”成功著陸月球正面預選著陸區(qū)，其返回器成功帶回月球樣品。無疑，“嫦娥工程”還將給人類探月帶來新的發(fā)現(xiàn)。課堂練習1.查閱資料，了