第一節(jié)行星的運(yùn)動(dòng)講課用

這一章我們將學(xué)習(xí)對(duì)人類智慧影響至為深遠(yuǎn)、在天體運(yùn)動(dòng)中起著決定性作用的萬(wàn)有引力定律，并了解它的發(fā)現(xiàn)歷程和在人類開拓太空中的作用。在浩瀚的宇宙中有無(wú)數(shù)大小不一、形態(tài)各異的天體，如月亮、地球、太陽(yáng)、夜空中的星星……由這些天體組成的廣袤無(wú)限的宇宙始終是我們渴望了解、不斷探索的領(lǐng)域。戰(zhàn)國(guó)時(shí)期楚國(guó)偉大詩(shī)人屈原，對(duì)那個(gè)天感到神秘，然而無(wú)序，作者心中愁苦然而無(wú)解，寫下偉大的被譽(yù)為是“千古萬(wàn)古至奇之作”的《天問》浩瀚宇宙遂古之初，誰(shuí)傳道之？上下未形，何由考之？冥昭瞢闇，誰(shuí)能極之？馮翼惟像，何以識(shí)之？明明闇闇，惟時(shí)何為？陰陽(yáng)三合，何本何化？圜則九重，孰營(yíng)度之？惟茲何功，孰初作之？斡維焉系，天極焉加？八柱何當(dāng)，東南何虧？九天之際，安放安屬？隅隈多有，誰(shuí)知其數(shù)？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(wú)窮的真理，讓我苦苦地求索、追隨。我仰望星空，它是那樣莊嚴(yán)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?kù)o；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(duì)行星運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)過(guò)程是漫長(zhǎng)復(fù)雜的，歷史上有過(guò)不同的看法，科學(xué)家對(duì)此進(jìn)行了不懈的探索，通過(guò)本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，將使我們對(duì)行星的運(yùn)動(dòng)有一個(gè)正確地認(rèn)識(shí)。行星的運(yùn)動(dòng)

6.1.行星的運(yùn)動(dòng)問題1：

古代人們對(duì)于天體運(yùn)動(dòng)存在哪些理論觀點(diǎn)?其內(nèi)容是什么？

每個(gè)理論觀點(diǎn)的代表人物是誰(shuí)？

古代人們對(duì)于天體運(yùn)動(dòng)存在兩種不同的觀點(diǎn)：“地心說(shuō)”和“日心說(shuō)”．（1）地心說(shuō)的內(nèi)容是：地球是宇宙的中心，并且靜止不動(dòng)，一切行星圍繞地球做簡(jiǎn)單的完美的圓周運(yùn)動(dòng)。地心說(shuō)最早是歐多克斯在公元前三世紀(jì)提出的，他從幾何的角度解釋天體的運(yùn)動(dòng)，把天上復(fù)雜的周期現(xiàn)象，分解為若干個(gè)簡(jiǎn)單的周期運(yùn)動(dòng)；他又給每一種簡(jiǎn)單的周期運(yùn)動(dòng)指定一個(gè)圓周軌道，或者是一個(gè)球形的殼層，他認(rèn)為天體都在以地球?yàn)橹行牡膱A周上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，并且用二十七個(gè)球?qū)觼?lái)解釋天體的運(yùn)動(dòng)，到了亞里士多德時(shí)，又將球?qū)釉黾拥轿迨鶄€(gè)。地心說(shuō)的代表人物是古希臘的天文學(xué)家托勒密，他在公元127-151年進(jìn)行觀測(cè)，進(jìn)一步發(fā)展了地心說(shuō)。托勒密設(shè)想，各行星都繞著一個(gè)較小的圓周運(yùn)動(dòng)，而每個(gè)圓的圓心在以地球?yàn)橹行牡膱A周上運(yùn)動(dòng)。他的假設(shè)較為完滿的解釋了當(dāng)時(shí)觀測(cè)到的行星運(yùn)動(dòng)情況，同時(shí)也符合宗教神學(xué)關(guān)于宇宙中心的說(shuō)法，從而得到教會(huì)的支持，并取得了航海上的實(shí)用價(jià)值，從而被人們廣為信奉，統(tǒng)治和禁固人們的思想達(dá)一千多年之久。

托勒密地心說(shuō)

地球是世界的中心,并且靜止不動(dòng),一切行星圍繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)一、行星的運(yùn)動(dòng)

托勒密地心說(shuō)

地球是世界的中心,并且靜止不動(dòng),一切行星圍繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)一、行星的運(yùn)動(dòng)（2）日心說(shuō)的內(nèi)容：太陽(yáng)是宇宙中心并且靜止不動(dòng)，一切行星都圍繞太陽(yáng)做圓周運(yùn)動(dòng)。日心說(shuō)最早由阿利斯塔克（公元前四世紀(jì)到三世紀(jì)）在公元前260年提出，他認(rèn)為地球每天在自己的軸上自轉(zhuǎn)，每年沿圓周軌道繞日一周，太陽(yáng)是不動(dòng)的，是宇宙中心，而地球等行星則以太陽(yáng)為中心沿圓周運(yùn)動(dòng)。但阿利斯塔克的見解當(dāng)時(shí)沒有人表示理解或接受，因?yàn)檫@與人們?nèi)庋劭吹降谋碛^景象不同。人們通過(guò)對(duì)天體運(yùn)動(dòng)的研究,發(fā)現(xiàn)地心說(shuō)所描述的天體運(yùn)動(dòng)十分復(fù)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(gè)普通的饒?zhí)?yáng)運(yùn)動(dòng)的行星的位置上,許多問題便可以解決.1535年，波蘭科學(xué)家哥白尼用“四個(gè)九年的時(shí)間”完成了長(zhǎng)達(dá)六卷的科學(xué)巨著《天體運(yùn)行論》，對(duì)日心說(shuō)有更具體的論述和數(shù)學(xué)論證。此書的出版是科學(xué)史上的一次革命，被譽(yù)為是“自然科學(xué)的獨(dú)立宣言”.日心說(shuō)體系學(xué)說(shuō)的基本論點(diǎn)有：①宇宙的中心是太陽(yáng)，所有的行星都在繞太陽(yáng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)②地球是繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的普通行星，月球是繞地球旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星，它繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還跟地球一起繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)。③天穹不轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)榈厍蛎刻熳晕飨驏|自轉(zhuǎn)一周，造成天體每天東升西落的現(xiàn)象。④與日地距離相比，其他恒星離地球都十分遙遠(yuǎn)，比日地間距離大得多。

日心說(shuō)

太陽(yáng)是世界的中心,并且靜止不動(dòng),一切行星都圍繞太陽(yáng)做圓周運(yùn)。哥白尼

日心說(shuō)

太陽(yáng)是世界的中心,并且靜止不動(dòng),一切行星都圍繞太陽(yáng)做圓周運(yùn)動(dòng)。哥白尼一、行星的運(yùn)動(dòng)問題2：兩種學(xué)說(shuō)的爭(zhēng)論的結(jié)果是什么？我們看到，從公元前三世紀(jì)地心說(shuō)的提出到16世紀(jì)哥白尼對(duì)日心說(shuō)做出數(shù)學(xué)論證，地心說(shuō)統(tǒng)治了人們的思想長(zhǎng)達(dá)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(diǎn)和歷史原因的。它的主要特點(diǎn)是：A．繞著某一中心的勻角速運(yùn)動(dòng)，符合當(dāng)時(shí)占主導(dǎo)思想的柏拉圖的假設(shè)，也適合于亞里士多德的物理學(xué)，易于被接受。B．用幾種圓周軌道不同的組合預(yù)言了行星的運(yùn)動(dòng)位置，與實(shí)際相差很小，相比以前的體系有所改進(jìn)，還能解釋行星的亮度變化。C．地球不動(dòng)的說(shuō)法，對(duì)當(dāng)時(shí)人們的生活是令人安慰的假設(shè)，也符合基督教信仰。在當(dāng)時(shí)的歷史條件下，托勒密提出的行星體系學(xué)說(shuō)，是具有進(jìn)步意義的。首先，它肯定了大地是一個(gè)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(yáng)系從眾星中識(shí)別出來(lái)的關(guān)鍵性一步。由于觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，隨著對(duì)行星的研究的加深，人們感到地心說(shuō)對(duì)天體運(yùn)動(dòng)的解釋過(guò)于復(fù)雜和人為化，而日心說(shuō)對(duì)行星的運(yùn)動(dòng)的解釋更為合理簡(jiǎn)單。但日心說(shuō)危及教會(huì)的思想統(tǒng)治。到哥白尼的年代，當(dāng)時(shí)的歐洲正處在黑暗的中世紀(jì)的末期，亞里士多德－托勒密的地球中心說(shuō)早已被基督教會(huì)改造成為基督教義的支柱。羅馬教廷后來(lái)對(duì)公開支持日心說(shuō)的科學(xué)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(yùn)行論》列為禁書。然而經(jīng)過(guò)開普勒、伽利略、牛頓等人的工作，哥白尼的學(xué)說(shuō)不斷獲得勝利和發(fā)展。哥白尼的宇宙體系動(dòng)搖了基督教宇宙體系的根基，但它并沒有在天文測(cè)算的精確度上有多大的提高。近代早期最重要的觀測(cè)工作是由丹麥的第谷（1546-1601）進(jìn)行的。第谷連續(xù)20年對(duì)750顆左右恒星進(jìn)行觀察并有準(zhǔn)確記錄。第谷(1546～1601)丹麥天文學(xué)家。

十七世紀(jì)，德國(guó)人開普勒在“日心說(shuō)”的基礎(chǔ)上，整理了他的老師，丹麥人第谷20多年觀測(cè)行星運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)四年艱苦計(jì)算，總結(jié)了關(guān)于行星運(yùn)動(dòng)的三條規(guī)律.問題3：開普勒在研究第谷的數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)了什么？他是如何處理的呢？如果同學(xué)們?cè)谧鰧?shí)驗(yàn)的時(shí)候，碰到這樣的情況你會(huì)怎么處理呢？雖然哥白尼、伽利略等人否定了地心說(shuō)，但仍然認(rèn)為其他行星圍繞太陽(yáng)做簡(jiǎn)單的完美的圓周運(yùn)動(dòng)。1601年，第谷臨終前將自己觀測(cè)并準(zhǔn)確記錄的資料、數(shù)據(jù)、圖表全部交給了開普勒，希望他能完成天文觀測(cè)和研究事業(yè)。開普勒用很長(zhǎng)的時(shí)間對(duì)第谷遺留下來(lái)的觀測(cè)資料進(jìn)行分析。由于火星的數(shù)據(jù)最多，他將火星選為行星繞日運(yùn)動(dòng)的突破口。起先他仍按傳統(tǒng)觀念，認(rèn)為行星作勻速圓周運(yùn)動(dòng)。但是經(jīng)過(guò)反復(fù)推算發(fā)現(xiàn)，對(duì)火星來(lái)說(shuō)，無(wú)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(cè)相合的結(jié)果。理論計(jì)算跟測(cè)量所得的誤差最大只有8′。開普勒沒有放過(guò)這8′的誤差，他堅(jiān)信觀測(cè)的結(jié)果。于是他想到，火星可能不是作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的。他改用各種不同的幾何曲線來(lái)表示火星的運(yùn)動(dòng)軌跡，終于發(fā)現(xiàn)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(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道都是橢圓，太陽(yáng)處在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上一、行星的運(yùn)動(dòng)問題4：開普勒第一定律的內(nèi)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(yáng)運(yùn)動(dòng)，太陽(yáng)是在這些橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。這個(gè)發(fā)現(xiàn)把哥白尼學(xué)說(shuō)向前推進(jìn)了一大步。用開普勒本人的話說(shuō)：“就憑這8′差異，引起了天文學(xué)的全部革新！”

他當(dāng)時(shí)算出，火星的偏心率為0.093，是當(dāng)時(shí)所知的在太陽(yáng)系內(nèi)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(rèn)識(shí):行星的軌道都是橢圓,所有橢圓有一個(gè)共同的焦點(diǎn),太陽(yáng)就在此焦點(diǎn)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(yáng)運(yùn)動(dòng),太陽(yáng)則位于所有橢圓的一個(gè)公共焦點(diǎn)上.否定了行星圓形軌道的說(shuō)法，建立了正確的軌道理論，給出了太陽(yáng)準(zhǔn)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(yùn)動(dòng)，地球是在這些橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。問題5：如何畫一個(gè)橢圓？橢圓上某點(diǎn)到兩個(gè)焦點(diǎn)的距離之和與橢圓上另一點(diǎn)到兩個(gè)焦點(diǎn)的距離之和有什么關(guān)系?接著他又發(fā)現(xiàn)，雖然火星運(yùn)行的速度是不均勻的(最快時(shí)是在近日點(diǎn),最慢時(shí)在遠(yuǎn)日點(diǎn))，但是,從任何一點(diǎn)開始，在單位時(shí)間內(nèi)，半徑掃過(guò)的面積都是不變的

開普勒開普勒第二定律

對(duì)任意一個(gè)行星來(lái)說(shuō)，它與太陽(yáng)的連線在相等的時(shí)間內(nèi)掃過(guò)相等的面積問題6：開普勒第二定律的內(nèi)容是什么？其運(yùn)動(dòng)規(guī)律適用于其它行星或衛(wèi)星嗎？1：開普勒第二定律：對(duì)任意一個(gè)行星來(lái)說(shuō)，它與太陽(yáng)的連線在相等時(shí)間內(nèi)掃過(guò)相等的面積．第二定律也適用于其他行星和月球的運(yùn)動(dòng)。問題7：如圖所示，行星沿著橢圓軌道運(yùn)行，太陽(yáng)位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上，行星在遠(yuǎn)日點(diǎn)的速率與在近日點(diǎn)的速率誰(shuí)大？速率的數(shù)值上存在什么關(guān)系？因?yàn)橄嗟葧r(shí)間內(nèi)面積相等，所以近日點(diǎn)速率大。問題8：開普勒是如何發(fā)現(xiàn)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?shù)婪蚨辣黄韧宋徊痪靡厕o世。家破人亡，靠山倒臺(tái)，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(duì)著第谷留下的那一堆數(shù)字去動(dòng)腦子，去探索各行星軌道之間的幾何關(guān)系。行星是在作著橢圓運(yùn)動(dòng)，但是它們繞太陽(yáng)一周到底要多少時(shí)間，為什么有的快，有的慢呢？這茫茫宇宙是無(wú)法丈量的。開普勒想出了一個(gè)妙法，他將人們最熟悉的地球到太陽(yáng)間的距離R定為1，地球繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)周期T是1年，以此為標(biāo)準(zhǔn)再換算其他行星的周期和距離，便得到這么一堆數(shù)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(lái)看去，這些數(shù)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(diǎn)的聯(lián)系。但是開普勒?qǐng)?jiān)信宇宙是一個(gè)和諧的整體。他認(rèn)為世間一切物體都有一定的和諧的數(shù)量關(guān)系。于是他將這一堆數(shù)字互加、互減、互乘、互除、自乘、自除，翻來(lái)倒去，想碰碰能否發(fā)現(xiàn)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(tuán)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期繁復(fù)的計(jì)算和無(wú)數(shù)次失敗，終于有一天，開普勒得到了這樣幾行數(shù)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(shù)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(gè)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(xiàn)了關(guān)于行星運(yùn)動(dòng)的第三條定律：?jiǎn)栴}9：開普勒第三定律的內(nèi)容是什么？1：內(nèi)容：所有行星的橢圓軌道的半長(zhǎng)軸的三次方與公轉(zhuǎn)周期的二次方的比值都相等。這一結(jié)果發(fā)表在1619年出版的《宇宙和諧論》中。這是一個(gè)天文史上極偉大的發(fā)現(xiàn)，它說(shuō)明太陽(yáng)與其他行星決不是一室烏合之眾，而是一個(gè)極嚴(yán)密的系統(tǒng)——太陽(yáng)系。開普勒利用簡(jiǎn)明的數(shù)學(xué)關(guān)系式把它表示出來(lái)。開普勒開普勒第三定律所有行星的軌道的半長(zhǎng)軸的三次方跟它的公轉(zhuǎn)周期的二次方的比值都相等即：R他是第一個(gè)以數(shù)學(xué)公式來(lái)表達(dá)物理定律并獲得成功的科學(xué)家3：適用范圍：開普勒定律不僅適用于太陽(yáng)系中的天體運(yùn)動(dòng)，而且對(duì)一切天體（包括衛(wèi)星繞行星的運(yùn)動(dòng)）都適用，其比例系數(shù)k是一個(gè)由中心天體決定而與行星無(wú)關(guān)的常量，但不是恒量，不同的星系中，k值不同。K是一個(gè)只決定于被繞天體（中心天體）質(zhì)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(jiǎn)明的結(jié)論代替了龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，使得計(jì)算行星的軌道半徑和它們的位置工作大大簡(jiǎn)化。B．行星運(yùn)動(dòng)三定律的發(fā)現(xiàn)為經(jīng)典天文學(xué)奠定了基石，并導(dǎo)致了數(shù)十年后萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)。其中第一定律反映了行星運(yùn)動(dòng)的軌跡是橢圓，第二定律描述了行星在近日點(diǎn)的速率最小，在遠(yuǎn)日點(diǎn)的速率最大，第三定律揭示了軌道半長(zhǎng)軸與公轉(zhuǎn)周期的定量關(guān)系．在近似計(jì)算中可以認(rèn)為行星都以太陽(yáng)為圓心做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。為了便于記憶開這三條重要的定律，有一首打油詩(shī)：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(xué)階段的研究中我們按圓軌道處理，所以，中學(xué)階段的開普勒三定律內(nèi)容可以寫成：1.行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道十分接近圓，太陽(yáng)處在圓心1.所有的行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道都是橢圓，太陽(yáng)處在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上2.對(duì)任意一個(gè)行星來(lái)說(shuō)，它與太陽(yáng)的連線在相等的時(shí)間內(nèi)掃過(guò)相等的面積3.所有行星的軌道的半長(zhǎng)軸的三次方跟公轉(zhuǎn)周期的二次方的比值都相等2.對(duì)于某一行星來(lái)說(shuō)，它繞太陽(yáng)做圓周運(yùn)動(dòng)的角速度（或線速度）不變，即行星