高中物理 天体运动

高中物理 天体运动

‎3.1 天体运动 ‎ 一、中国古代的宇宙观 ‎1、盖天说：‎ ‎　　天圆地方 ‎　　　　　　　　　　　　　　‎ ‎2、浑天说：‎ ‎　　天是一个圆球，地则位于这个圆球的中间。地如蛋黄，天如蛋壳。‎ ‎　　　　　　　　　　　　　　　　‎ ‎3、宣夜说：‎ ‎　　约在战国后期至东汉初期之间。天没有实际的本质。‎ 二、古希腊的宇宙观 ‎1、地心说：‎ ‎　　公元二世纪，托勒密在《天文学大成》中详细的阐述了地心说的宇宙观。认为星体都是球形的，地球是宇宙的中心。地球是静止不动的，太阳、月亮以及其它行星都绕地球运动。‎ ‎2、什么促使地心说的提出？‎ ‎　　（1）古希腊有种思想，认为自然界是完美的，球形和圆是最完美的图形，因此宇宙是由球形天体和圆形轨道构成。‎ ‎　　（2）大航海的发展，人们观测到出海航行的船，在海平面处是渐渐消失的。‎ ‎　　（3）由南往北走，天空中有的星座会消失，有新的星座会逐渐出现。‎ ‎3、地心说的困难：‎ ‎　　行星，特别是火星的逆行现象。解决方法是提出了本轮、均轮、偏心距等概念。但是为了与越来越精密的观测数据相符合，地心说的宇宙模型变得越来越复杂，失去了简单的美。‎ ‎　　【阅读资料】：值得注意的是，地心说的提出最早可以追述到公元前6世纪。毕达哥拉斯学派提出宙天体是球形的；平面中圆形最完美，天体沿圆形轨道匀速运行；数目中以10最完美，所以天体应该有10个：中央是“中心火”，周围依次为日、月、地和五大行星，另外一个“对地”，这是关于宇宙模型的最早构思。‎ ‎　　后来，柏拉图学派的欧多克斯建立了一个以天文观测为基础的，用几何形状表示的“同心球壳”宇宙模型，将天体的复杂运动分解成若干个简单的运动。他设想宇宙由27个透明的同心球壳组成，地球居于中心，日、月、众星分别在不同的球壳上，内球的轴又固定在外层球壳上，内球转动的同时又被外球带动着转动。再后来亚里士多得(前384——前322)继承和发展了这一理论。天文学家希帕克抛弃了这一同心球壳理论，提出了以地球为中心的“本轮——均轮”‎ 说。他提出每个星体有自己的周围轨道运动，这就是本轮运动；各个本轮的中心又以地球为中心进行圆周运动，就是均轮运动。为了解释日、月、行星运动变化，他规定日、月在本轮上的运动方向与本轮本身沿均轮运动，方向相反而速度相同，行星在本轮上的运动方向相同而速度不同。‎ ‎　　较为完整的地心说宇宙模型，是托勒密(C．Ptolemaeus，100？——170？)在公元2世纪提出的。其代表作是《天文学大成》。这个模型继承了古希腊的所谓圆球美满观念，把宇宙设计成为大球套小球，小球边上甚至还要穿插小小球的复杂圆球体系：这个圆球的球心就是地球的球心，而恒星、太阳和月亮分布在大小不同的球面上围绕地球做圆运动；诸行星(水星、金星、火星、木星和土星)既要在各自的小球上围绕地球做圆运动，又要围绕各自的小小球的球心做圆运动，这样才能解释为什么表观上看到的它们既有顺行运动又有逆行运动的现象。托勒密地心说在长达一千多年的时期内，被人们广泛接受，其原因主要是因为目视天文观测的精度很低，按地心说预报的行星位置，又与实际位置相差不多，再有就是这一学说与《圣经》的内容相符，因而得到教会的保护。‎ ‎　　　　　　　　　　　　　　‎ 三、日心说 ‎　　到了公元15世纪天文学受到三个方面的冲击，为哥白尼创立日心说提供了历史背景。第一，航海活动提出新要求；第二，文艺复兴沉重打击了神学和经院哲学，作为基督教教义的亚里士多得一托勒密地心说体系受到怀疑；第三，当时成为燃眉之急的历法改革需要新的天文体系。在人的头脑中，长期被认为不动的大地开始动摇。罗马教会枢机主教意大利库萨的尼古拉(1401—‎ ‎1464)就认为地球是个行星，不是宇宙的中心。意大利天文学家和数学家诺瓦拉(1454——1504)受古希腊毕达哥拉斯学说的影响，认为托勒密体系太复杂，不符合数学的和谐。‎ ‎1、哥白尼：‎ ‎　　1543年，出版《天体运行论》，阐述日心说的思想，认为如果把地心说中地球是中心的观点转变一下，太阳是中心，别的行星都围绕太阳做圆周运动，那么很多的现象就可以得到解释，比如：火星的逆行等。‎ ‎　　　　　　　　　　　‎ ‎　　由于日心说直接危及教会的思想统治，罗马教廷才在迫害科学家的同时，于1616年宣布《天体运行沦》为禁书。‎ ‎2、布鲁诺：宇宙没有中心 ‎　　在《论无限、宇宙及世界》这本书当中，布鲁诺提出了宇宙无限的思想，他认为宇宙是统一的、物质的、无限的和永恒的。在太阳系以外还有无以数计的天体世界。‎ 四、开普勒 ‎1、第谷：近代天文学奠基人 ‎　　第谷·布拉赫(Tycho Brahe，1546——1601)是丹麦天文学家，在丹麦的汶岛二十年如一日的进行天文观测，记录了大量的数据。并且，他把观测精度由10分提高到2分，这8分仅仅相当于时钟秒针走过1秒的角度的五十分之一。‎ ‎　　另外，第谷是西方首先观测到新星的天文学家。1572年11月11日他观测到仙后座中出现了一颗比金星还亮的新星，并证明它不是一颗像彗星一样的近距离天体而是一颗遥远的恒星。实际上，新星(nova)一词便是第谷制定的。新星的发现打破了亚里士多德的天界永恒不变的学说。第谷也是西方把彗星看作天体的第一人。按照亚里士多德的说法，彗星是地界四元素最上层的火元素与旋转天球相邻部分接触燃烧的结果。第谷根据对1577年大彗星的观测，认为彗星比月球远得多，而且穿越金星、太阳和火星，从而否定了托勒密体系中天球是坚硬的水晶球层的观念。‎ ‎2、开普勒：天空的立法者 ‎　　开普勒(Johannes Kepler，1571—1630)是德国人，生于符腾堡。1587年进入杜宾根大学，在校中遇到秘密宣传哥白尼学说的天文学教授麦斯特林。受其影响，开普勒很快成为哥白尼学说的忠实维护者。1956年出版《神秘的宇宙》一书，这本书宣传了哥白尼学说。‎ ‎　　　　　　　　　　　　　　　　　　‎ ‎　　《神秘的宇宙》出版后开普勒寄了一本给他所崇拜的丹麦著名的天文学家第谷·布拉赫(Tycho Brahe，1546--1601)，第谷很欣赏开普勒的数学才华，1597—1560年间两度邀请开普勒到自己的身边工作。1600年2月3‎ ‎ 日开普勒到达第谷的贝纳特基堡观测台，担任第谷的助手。1601年10月24日第谷去世，临终前把自己多年积累的天文观测资料留给了开普勒。开普勒非常珍惜第谷一辈子辛勤观测获得的宝贵资料。从第谷的数据可以看出，开普勒原来设想的简单宇宙模型是不能解释实际观测结果的，因而也是不切实际的，开普勒只好重新思考。他坚信天体运行是有规律的，而且这些规律必定具有普遍性，也就是说，这些规律应该适用于尽可能多的星辰。他开始运用数学方法对第谷的数据资料进行系统的分析和整理。最终在1609年和1619年发表了行星运动的开普勒三定律。‎ 五、行星运动定律 ‎1、开普勒第一定律（椭圆轨道定律）‎ ‎　　所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在椭圆的一个交点上。‎ ‎　　　　‎ ‎　　【注意】不同行星绕太阳运动的椭圆轨道是不同的。‎ ‎2、开普勒第二定律（面积定律）‎ ‎　　对任意一个行星来说，它与太阳的连线在相等的时间内扫过相等的面积。‎ ‎　　【注意】由此可见，行星近日点的线速度大于远日点的线速度，进一步来说，近日点的动能大于远日点的动能。‎ ‎　　‎ ‎3、开普勒第三定律（周期定律）‎ ‎　　所有行星的轨道的半长轴的三次方跟它的公转周期的二次方的比值都相等。数学表达式为：。其中，a是椭圆轨道的半长轴，T是公转周期。‎ ‎　　对于开普勒三定律，我们要知道，虽然它是描述行星绕太阳运转，也适用于卫星绕地球旋转，或者别的星体运行。只是，不同的中心天体，中的k值是不同的。‎ ‎　　　　　‎ ‎　　另外，虽然行星的运行轨道是椭圆，但是与圆十分接近，所以中学里把行星的轨道按圆来处理。这样开普勒三定律就成为如下表述：‎ ‎　　（1）行星绕太阳运行的轨道是圆，太阳处在圆心上。‎ ‎　　（2）行星围绕太阳做匀速圆周运动。‎ ‎　　（3）所有行星的轨道半径的三次方与它公转周期的二次方的比值都相等。‎